Как можно конструировать экзотические атомы? Чем вещество отличается от антивещества? В чем состоит сложность измерения расщепления уровней энергии атомов антиводорода? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Владимир Мележик.

Существует такая наука — физика экзотических атомов. Обычные атомы состоят из ядер и электронов, но уже довольно продолжительное время назад физики открыли и другие элементарные частицы. Например, позитрон — это частица, точно такая же, как электрон, но у нее положительный заряд. Есть античастица по отношению к протону — антипротон. У антипротона такая же масса, как и у обычного протона, но отрицательный заряд.

Эти частицы можно использовать для конструирования экзотических атомов. Например, если электрон заменить позитроном, то связанная система не получится, потому что позитрон и протон будут отталкиваться. Но если протон заменить антипротоном, то у нас возникнет атом антивещества, которое называется антиводород.

В природе антивещества не существует, и есть объяснение почему. Это объяснение дал в 60-е годы Андрей Дмитриевич Сахаров: есть нарушение CP-симметрии, и, по-видимому, в связи с этим эффектом сохранилось вещество, но антивещества нет.

Рекомендуем по этой теме:
10995
FAQ: История открытия антиматерии

Общепризнанная современная теория предсказывает, что если искусственно создать атомы антивещества, то они ничем особенно отличаться не будут. Самые точные измерения, которые проводят с атомами, — спектроскопические измерения — это измерения расстояния между уровнями энергии в атоме или в антиатоме. Такие измерения очень точны. Если взять простейшую систему — атом водорода, состоящий из протона и электрона, — то расстояние между самым нижним уровнем 1s и возбужденным уровнем 2s измерено с точностью 10-17 — относительная точность. Это фантастическая точность.

Еще есть так называемое расщепление уровня за счет того, что у протона и электрона есть магнитные моменты. Магнитные моменты взаимодействуют и приводят к тонкому и сверхтонкому расщеплению. Очень интересно сверхтонкое расщепление основного уровня 1s — это расщепление в миллион раз меньше, чем расщепление между 1s и 2s. Если атом водорода может находиться в возбужденном состоянии, а затем переходит в нижнее состояние, то при этом излучается волна, длина которой 21 сантиметр. И такие волны были зарегистрированы, это область микроволнового излучения или радиоизлучения, и по этому излучению регистрируется водород во Вселенной. Расстояния между расщепленными уровнями в атоме водорода измерены похуже, но тоже с очень высокой точностью — 10-12.

У физиков возникла идея: а что будет с антивеществом, с простейшим атомом антивещества антиводорода? Если создать такой атом и затем попытаться измерить это расщепление, то это очень перспективный объект для изучения возможного отклонения в структуре антиматерии от обычной материи. Но поскольку до сих пор отклонений от теорий, которые есть, — Стандартная модель — не обнаружено, то ясно, что эти эффекты будут очень маленькими, эта разница в расщеплении будет очень маленькой, и поэтому нужно придумать некие изощренные методы, для того чтобы эту разницу почувствовать.

На решение этой задачи нацелено несколько групп. Почти все эти группы связаны с ЦЕРНом, с европейской лабораторией ядерной физики, которая занималась поисками бозона Хиггса. Сейчас там работает группа, которая называется ASAKUSA, уже получившая несколько атомов антивещества — атомы антиводорода. Но для того, чтобы с этими атомами работать, их должно быть достаточное количество.

Первые атомы антиводорода были получены в 1995 году — порядка десяти антиатомов, затем установка усовершенствовалась, и в настоящее время получено порядка тысячи атомов.

И даже зарегистрировали сигнал в этом расщеплении в антиводороде. Там существует ловушка, в которой содержатся образовываемые атомы антиводорода. У них есть спин, и в зависимости ориентации спина атомы антиводорода содержатся в этой ловушке, или, если спин переворачивается, — а спин переворачивается, если облучать эту ловушку микроволновым излучением с длиной волны как раз 21 сантиметр, чтобы почувствовать это расщепление, это расщепление было почувствовано таким образом, что атомы перевернулись, они ушли из этой ловушки и проаннигилировали в детекторе. Но само расщепление пока не измерено.

Проблема еще состоит в том, что образуемые атомы антиводорода образуются в возбужденных состояниях, в так называемых ридберговских состояниях, где квантовое число порядка 40, а нужно, чтобы антиатомы были в основном состоянии. Это одна из задач, над которой бьются физики.

Для того чтобы измерять расщепление с достаточной точностью, антиатомов должно быть достаточно много, антиатомы должны образовываться в достаточном количестве. Это другая задача — каким образом усилить выход антиатомов. Были всякие идеи, например, применять лазер — светить лазером таким образом, чтобы при столкновении позитронов с антипротонами был стимулированный переход в связанное состояние антиводорода. Но эта идея оказалась неэффективной. Есть другие идеи.

И есть надежда, что в недалеком будущем в этой лаборатории удастся измерить то расщепление основного состояния, о котором я говорил вначале. Оно будет измерено с достаточной точностью, и физики ответят на вопрос, отличается антивещество от вещества или не отличается. Если ответ будет утвердительный, то это будет иметь очень сильные последствия для физиков, которые занимаются построением теории элементарных частиц.