Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Сотрудники коллаборации ALPHA перекрыли своё же собственное прошлогоднее достижение, увеличив максимальное время хранения атомов антиводорода в ловушке до тысячи секунд
Антиводородом, напомним, называют связанное состояние антипротона и позитрона. Атомарный водород считается стабильным, и антиводород, в соответствии с CPT-теоремой (теоремой квантовой теории поля, согласно которой уравнения теории не меняют своего вида, если одновременно провести три преобразования: зарядового сопряжения, или замены частиц на античастицы, пространственной инверсии и обращения времени), должен иметь то же время жизни. Если атомы антивещества задержать в ловушке на достаточно длительное время, можно выполнить спектроскопическое исследование и сравнить спектры антиводорода и водорода. Такие измерения станут убедительным тестом на сохранение СРТ-симметрии; кроме того, захваченный антиводород можно использовать для изучения гравитационных свойств антиматерии.
В прошлом году в эксперименте ALPHA, курируемом Европейской организацией по ядерным исследованиям, антиводород впервые удалось задержать в ловушке на 172 мс. Теперь это значение, как видим, выросло почти на четыре порядка.
На установке ALPHA антиводород получают в ловушке Пеннинга — устройстве, использующем однородное статическое магнитное поле и пространственно неоднородное электрическое поле для хранения заряженных частиц. Она дополняется ловушкой Иоффе — Притчарда с магнитным полем, величина которого достигает минимума в её центре. Для атомов антиводорода, у которых спин позитрона направлен против магнитного поля, в этой точке имеется минимум потенциальной энергии.
В эксперименте «облако» радиусом 0,4 мм, содержащее 1,5•104 антипротонов при ~100 К, смешивается с аналогичным «облаком», образованным из миллиона позитронов при 40 К. После секундного взаимодействия подготовленных частиц образуется около 6•103 атомов антиводорода, и бóльшая их часть аннигилирует на стенках ловушки, но некоторые атомы всё же оказываются захваченными. Через некоторое заданное время (время хранения) удерживающее магнитное поле выключают, а затем выпущенный на свободу антиводород аннигилирует на электродах ловушки Пеннинга. Отмеченные события такого рода и считаются свидетельствами его удержания.
Частота захвата антиводорода (количество захваченных атомов в пересчёте на одну попытку загрузки в ловушку) для всех времён хранения, проверенных в эксперименте. (Иллюстрация авторов работы.)
Время хранения авторы выбирали из интервала 0,4–2 000 с. При удержании на тысячу секунд вероятность того, что зарегистрированные аннигиляционные события связаны со статистическими флуктуациями фона космических лучей, а не с антиводородом, составляла менее 10–15, что соответствует статистической значимости в восемь стандартных отклонений (8σ). Когда время увеличивали вдвое, вероятность повышалась до 4•10–3, а значимость снижалась до 2,6σ. Несложно понять, что в этих условиях антиводород, вероятно, тоже удерживался, но принятым в физике жёстким требованиям к статистической значимости данные по двум тысячам секунд не удовлетворяют.
Стоит также заметить, что подавляющее большинство атомов антиводорода, захваченных на длительное время, должно было, согласно расчётам, достичь основного состояния перед освобождением. Следовательно, в эксперименте были впервые получены атомы антивещества в основном состоянии, которые и нужны для точной лазерной и микроволновой спектроскопии.
