Антиматерия соскочила с весов

Эксперимент в ЦЕРН впервые позволил взвесить антиматерию

 Cхема ловушки для антипротонов

Фотография: Nature Communications

  Владимир Покровский

Пытаясь понять, обладает ли антивещество отрицательной массой, физики Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) поставили эксперимент с антиводородом. Результаты эксперимента вопроса не прояснили.

 Если яблоко может упасть Ньютону на голову, то как поведет себя «антияблоко»? Упадет ли оно также на макушку или, наоборот, взлетит к небу, оторвавшись от ветки?

Как вообще антиматерия реагирует на силу тяжести – притягивается к источнику гравитации или отталкивается от него?

 Исходя из того, что мы знаем о мире, в поле гравитации она должна вести себя точно так же, как и обыкновенная материя, но, как ни странно, строгого, экспериментально подтвержденного ответа на этот вопрос до сих пор было. Как сообщается в последнем номере журнала Nature Communications, объединенная команда физиков из CERN и Университета Беркли попыталась проверить это с помощью установки «Альфа», способной загонять античастицы в свою магнитную ловушку.

Антиматерия — это своеобразная противоположность привычной нам материи. Частицы антиматерии имеют такую же, как у обычной материи, массу, но отличаются знаками физических взаимодействий. Позитрон подобен электрону, только имеет положительный заряд, антипротон подобен протону, но заряжен отрицательно. Когда антиматерия встречается с материей, частицы исчезают — аннигилируют (в эквивалентном количестве), выделяя большое количество энергии в виде излучения (фотонов).

 Существование антигравитации (иначе говоря, существование отрицательной массы) запрещено принципом эквивалентности гравитационной массы (которая стоит в законе тяготения) и инерционной — той, что записана в законах механики.

Этот принцип был провозглашен еще Ньютоном, но доказанным он не считается, просто не найдено свидетельств его несправедливости. «И в той маловероятной ситуации, при которой антиматерия будет падать вверх, а не вниз, — говорит один из участников эксперимента Джоэл Фэдженс из Беркли, — нам придется основательно пересмотреть наши взгляды на физику и на то, как устроена Вселенная».

Над этим вопросом физики начали задумываться давно, просто до сих пор у них не было возможности поставить нужный эксперимент. Эта возможность, по крайней мере теоретическая, возникла после создания «Альфы». Физики научились получать два «супа» — из антипротонов и позитронов, охлаждать их с миллионов градусов Кельвина до семи и затем смешивать в так называемой трубке Иоффе, где, превратившись в электрически нейтральные атомы антиводорода, они удерживаются в «магнитной яме» благодаря наличию собственных магнитных моментов.

Начав в 2005-м году с нескольких атомов и миллисекундных периодов удержания, сегодня «Альфа» умеет удерживать облако из четырех сотен атомов антиводорода в течение тысячи секунд.

Все было бы решено в один заход, если бы это облако состояло из неподвижных атомов. Тогда, отключив ловушку и позволив антиводороду упасть на стенки сосуда, можно было бы сразу понять, вверх он падает или вниз. Но с атомами, каждый из которых имеет неизвестную скорость и неизвестное направление движения, все намного сложнее.

 Физики из Беркли предложили исключить из расчетов наиболее быстрые атомы, выключая магнитное поле ловушки не мгновенно, а с задержкой, постепенно понижая его напряженность в течение 30 миллисекунд и только потом выключая полностью.

Самые неповоротливые атомы должны удерживаться в ловушке даже при слабом поле, а быстрые преодолевают магнитный заслон еще до полного выключения.

Каждое падение при этом будет вызывать аннигиляцию, которую легко зарегистрировать детектором фотонов.

Эксперимент на «Альфе» однозначного ответа на главный вопрос не дал, потому что медленных атомов антиводорода, упавших на стенки уже после полного выключения, оказалось слишком мало – всего 23 штуки из 434.

Статистическая неопределенность при таком количестве была очень высокой, поэтому результаты расчетов оказались слишком неточными и не смогли ни доказать, ни опровергнуть факт антигравитации.

Собственно, вряд ли кто-нибудь из экспериментаторов всерьез рассчитывал получить от «Альфы» четкий ответ на вопрос о том, куда падает антивещество, — это была скорее проба, доказавшая принципиальную возможность взвешивания антиматерии.

«Альфа», строительство которой было начато еще в 2005 году, доживает свои последние дни: рядом с ней готовится к первым пускам более совершенная установка «Альфа-2», которая будет удерживать намного больше атомов антиводорода и намного лучше замораживать их. «Альфа-2» еще не приступила к работе, а физики уже задумывают «Альфу-3», которая будет заточена именно на исследование взаимоотношений антивещества с гравитацией.