Неуловимое антивещество, вызывающее столько же домыслов, сколько страхов, - одно из центральных направлений исследований ЦЕРНа, Европейской организации по ядерным исследованиям. Считается, что во время Большого взрыва атомы вещества и антивещества (в отличие от первых, состоящие из отрицательно заряженных ядер, окруженных позитронами - электронами с положительным зарядом) существовали в равных количествах. В результате взаимодействия частицы и античастицы самоуничтожаются и превращаются в иной тип энергии. Видимо, это произошло и в первые секунды после образования Вселенной. Однако, по неизвестным обстоятельствам, вещество взяло верх над своим «двойником» и дало рождение миру, который мы знаем.
Одна из самых грандиозных тайн науки - вопрос о том, что произошло с антивеществом: исчезло ли оно совершенно, притаилось ли в далеких уголках Вселенной, или, быть может, создало неизвестные нам галактики-двойники? Ученые предполагают, что приоткрыть загадки таинственной субстанции можно, изучив свойства и поведения античастиц и сравнив их с известными науке частицами. Одним из путей представляется сравнительный анализ атомов антиводорода, «выведенных» в ЦЕРНе, с водородом. Однако, учитывая, что при соприкосновении с веществом антивещество мгновенно исчезает – частицы и античастицы аннигилируются, - антиводород не так-то просто поймать и удержать в неприкосновенности. До недавнего времени соединение антипротонов с позитронами исчезало, прежде чем физики могли сделать какие-либо выводы о его свойствах. Но новые успехи на эксперименте ALPHA Европейской организации по ядерным исследованиям – одной из установок, позволяющих поймать неуловимые антипротоны, - приблизили ученых к тайнам антиводорода.
«Мы можем удерживать атомы антиводорода в течение почти 1000 секунд», - объяснил физик Джеффри Хангст из Университета Орхуса, участник эксперимента ALPHA. – «Этого времени вполне достаточно, чтобы начать детальное исследование античастиц – даже если на настоящий момент мы не можем удерживать их в большом количестве».
В статье, опубликованной в научном журнале Nature Physics, ученые подводят итоги наблюдений за 300 атомами антиводорода. Лазерная и микроволновая спектроскопия позволят в деталях изучить свойства антивещества и сравнить его с хорошо известным физике элементом. В результате кропотливого и тщательного сравнительного анализа ученые смогут зафиксировать разницу в свойствах вещества и его двойника. Отдельный эксперимент поможет установить влияние силы тяжести на атомы антиводорода.
Кроме того, сохранение античастиц в течение относительно длительного времени позволит провести точнейшие измерения с целью изучения так называемой CPT-инвариантности – фундаментальной симметрии физических законов при определенных преобразованиях (C соответствует инверсии заряда, P можно сравнить с получением зеркального отражения частицы, а T является инверсией времени).
Согласно теореме CPT-инвариантности, вытекающей из основных принципов квантовой теории поля, если в природе происходит некий процесс, с той же вероятностью в ней может происходить и обратный процесс, в котором частицы заменены соответствующими античастицами, а начальные и конечные состояния поменялись местами. Из теоремы СРТ, в частности, следует, что массы и времена жизни частицы и античастицы равны, электрические заряды частиц и античастиц отличаются только знаком; взаимодействие частицы и античастицы с гравитационным полем одинаково.
Таким образом, «констатация любого нарушения симметрии CPT вынудит нас серьезно пересмотреть принципы, по которым мы привыкли объяснять законы природы», - подчеркнул Джеффри Хангст.
Следующий этап эксперимента ALPHA – изучить свойства атомов антиводорода, подвергая их воздействию микроволн, чтобы проверить, поглощают ли они те же частоты, что и их двойники, атомы водорода. Подобные опыты позволят пролить первые лучи света на внутреннюю структуру антиводорода, первого элемента периодической таблицы химических антиэлементов.
Об антивеществе и других загадках Вселенной смотрите наше досье.
