Nature, 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04440-7 (About DOIs).
Это потенциально полезный опыт, который возможно приблизит нас к пониманию как все устроено в нашей Вселенной. И удивительно, что это работает.
В выпуске журнала Nature за среду опубликована новая статья, в которой описывается потенциально полезный способ измерения взаимодействий между нормальной материей и экзотическими частицами, такими как антипротоны и нестабильные элементы, например, каоны или элементы, содержащие странный кварк. Работа может оказаться полезной, поскольку мы до сих пор не понимаем асимметрию, которая позволила материи стать доминирующей формой в нашей Вселенной.
Но это исследование, вероятно, наиболее примечательно благодаря удивительному способу сбора измерений. Небольшой исследовательской группе удалось вывести антипротон на орбиту вокруг ядра атома гелия, который был частью жидкого гелия, охлажденного до состояния сверхтекучей жидкости. Затем исследователи измерили свет, излучаемый при переходе антипротона с одной орбиты на другую.
Зачем и кому это нужно?
Есть много причин, по которым вы захотите получить точные измерения такого рода вещей. Например, измерения будут чувствительны к свойствам антиматерии и странных кварков, которые недолговечны и часто создаются в условиях, затрудняющих точные измерения. Кроме того, эта система включает в себя взаимодействия между антиматерией и обычной материей, которые трудно уловить из-за их бурных концов. Наконец, специфические взаимодействия здесь - между атомным ядром и объектом на орбиталях, которые его окружают - чувствительны к свойствам, которые являются фундаментальными для Вселенной.
В данном случае антиматерией был антипротон. Поскольку он является противоположностью протона, он имеет отрицательный заряд. С точки зрения ядра, антипротон очень похож на ожиревший электрон: он будет занимать орбитали с точной энергией вокруг ядра, но другой формы, чем те, которые занимает электрон. И так же, как электрон, антипротон может перемещаться между орбиталями, поглощая или испуская фотон.
Энергия испускаемых фотонов дает информацию о взаимодействии между антипротоном и атомным ядром. Именно эта информация и нужна исследователям.
Однако проведение этих измерений представляет собой серьезную проблему, и не только из-за тенденции материи и антиматерии аннигилировать друг с другом. Любое движение изучаемых атомов, как правило, приводит к тому, что фотон смещается в красную или синюю сторону относительно своего реального значения. В высокоэнергетической среде этот процесс превращает то, что должно быть резким пиком на определенной длине волны, в неточное пятно, которое не дает нам полезных ответов.
Пробовать то, что не работает
Самый простой способ избежать этой проблемы - замедлить атомы, то есть охладить их. Однако в случае с гелием достаточное охлаждение приведет к образованию сверхтекучей жидкости, в которой его атомы будут течь, не теряя энергии из-за вязкости. Этот переход потенциально может ухудшить ситуацию. В прошлом исследователи выбирали температуру прямо у перехода, где жидкий гелий имеет наибольшую плотность (и где он заметно плотнее водорода, который в противном случае мог бы стать подходящим вариантом для такого рода экспериментов).
Но эти эксперименты не удались, поскольку измерения дали широкие пики, характерные для визуализации образцов, которые сильно движутся. Исследователи высказывали предположения о том, почему эксперименты не дали результата, но новая работа говорит в пользу одного объяснения, к которому мы еще вернемся.
В любом случае, экспериментальная установка предполагает некоторую переработку, используя антипротоны, которые в противном случае могли бы быть выброшены. ЦЕРН производит антипротоны для использования в создании антиводородных атомов, но этот процесс работает только с антипротонами, энергия которых ниже определенной. Когда низкоэнергетические частицы отправляются в эксперимент, в ЦЕРНе остается пучок антипротонов умеренной энергии. Этот пучок и был использован в экспериментах.
Антипротоны были направлены в жидкий гелий, где некоторые атомы гелия были ионизированы, то есть потеряли один из двух своих электронов. В этой ситуации антипротон может выйти на орбиту, создавая нечто похожее на нейтральный атом на короткий период времени, прежде чем антипротон столкнется с материей и исчезнет в сгустке энергии.
Конечно, все не так просто. Антипротоны прилетают с большим количеством энергии и в итоге занимают удаленные орбитали. Но эти орбитали настолько далеки, что находятся за пределами электронного облака, занимаемого оставшимся электроном. Это делает их уязвимыми для аннигиляции материей. Поэтому антипротоны должны быстро терять энергию, как только они туда попадают, что позволяет им упасть в электронное облако. Исследователи наблюдали за фотонами во время взаимодействия антипротонов с гелием. Они обнаружили пару орбитальных переходов, так что потеря энергии явно происходила с достаточной эффективностью. Оставшиеся измерения авторы сосредоточили на измерении одного из этих переходов.
Это работает!
При температурах выше точки, при которой жидкий гелий становится сверхтекучей жидкостью, переход создавал широкий пик вместо острого. Пик сужался по мере снижения температуры, и в конце концов при температуре перехода он разделился на два разных пика. Это разделение, называемое гиперфинным расщеплением, вызвано взаимодействием между антипротоном и ядром гелия. Тот факт, что оно может быть обнаружено с такой точностью, указывает на то, что экспериментальная система может быть использована для того, чтобы рассказать нам как об антиматерии, так и о фундаментальной физике, стоящей за этими взаимодействиями.
Почему этот эксперимент сработал, когда предыдущие попытки измерить свойства молекул в жидком гелии провалились? Исследователи предполагают, что их успех в основном связан с тем, что они измеряли странную форму гелия в бассейне с гелием. В других случаях исследователи измеряли молекулу, которая была растворена в гелии, что привело к совершенно иному поведению. (Одно из предположений заключается в том, что гелий образует клетку вокруг любых растворенных в нем молекул, и эта клетка достаточно велика, чтобы позволить молекуле свободно перемещаться).
Исследователям нравится идея, что этот процесс можно использовать более широко для получения такого рода измерений. Технически, любая отрицательно заряженная частица умеренного размера может быть выведена на орбиту вокруг ядра гелия при условии, что она может быть достаточно замедлена - исследователи специально упоминают "отрицательно заряженные мезоны и гипероны, включающие странные кварки". Авторы предполагают, что гелий с необычным ядерным составом также может работать.
