Месяца полтора назад научную (и не только) общественность взбудоражило сообщение о получении большого количества атомов антиводорода в ЦЕРНе. И вот в последнем номере Physical Review Letters появилась статья конкурирующей группы ученых на ту же тему. Самое время попытаться понять, зачем это все нужно и каким образом удалось решить столь сложную задачу.

Люди старшего и среднего поколения хорошо помнят, что в Советском Союзе было принято приурочивать громкие успехи к очередной годовщине "Великой Октябрьской социалистической революции". Не ведая о том, физики, входящие в ATHENA Collaboration, несколько поторопились с сообщением о получении 50000 атомов антиводорода [1], зато их коллеги-конкуренты из ATRAP Collaboration отчасти исправили эту ошибку, сообщив о получении 170000 атомов антиводорода, "как и положено", в преддверии 85-летия Октября [2]. В стремлении к заветной цели - получению холодного антивещества - эти объединения ученых конкурировали между собой на протяжении последних лет. Чуть больше года назад ATRAP Collaboration удалось добиться значительных успехов в позитронном охлаждении антипротонов и "счастье было так возможно, так близко", но коллаборация, носящая имя древнегреческой богини мудрости (Афины), все-таки сумела опередить конкурентов. Чтобы понять "этапность" достигнутых результатов, достаточно сказать, в течении каждого из этих экспериментов была получено больше атомов антиводорода, чем во всех вместе взятых экспериментах за все прошедшее время.

Чем же так интересна холодная антиматерия? Ее исследование позволит подтвердить (или поставить под сомнение) справедливость таких основополагающих физических теорий, как Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий и общая теория относительности. По современным представлениям энергетические спектры атомов водорода (состоящего из протона и электрона) и антиводорода (состоящего из антипротона и позитрона) должны быть полностью идентичны. Даже самое незначительное различие в структуре энергетических уровней атомов водорода и антиводорода будет свидетельствовать о нарушении CPT-инвариантности, являющейся следствием СТО и локальности взаимодействия частиц, и считающейся фундаментальным свойством существующих теорий элементарных частиц (CPT-инвариантность предполагает, что при совместном проведении трех преобразований - зарядового сопряжения (замены частиц на античастицы), пространственной инверсии (замены векторов r на -r) и обращения времени (замены t на -t) - не произойдет никаких изменений в картине протекания физических процессов). Еще один сюрприз может преподнести изучение влияния гравитационного поля Земли на атомы антиводорода: если удастся выявить отличия в действии силы тяжести на атомы водорода и антиводорода, то под вопросом окажутся существующие космологические представления, основанные на ОТО и предполагающие единообразие гравитационного взаимодействия всех известных и гипотетических видов материи.

Однако для того, чтобы стало возможным проведение как спектроскопических исследований атомов антиводорода, так и (в особенности) исследований действия силы тяжести на эти атомы, необходим не просто антиводород, но именно холодный антиводород в достаточно большом количестве. Дело в том, что управлять движением электрически нейтральной частицы (атома антиводорода) с помощью электрического и магнитного полей гораздо сложнее, чем движением антипротона или позитрона в отдельности, а соприкосновение антивещества с веществом (материалом ловушки, например), как известно, приводит к аннигиляции. Поэтому для планируемых экспериментов нужно иметь достаточно медленно движущиеся атомы антивещества, т.е. холодное антивещество.

Сказать, что задача получения холодного антивещества сложна - значит ничего не сказать: задача эта сложна фантастически. Начать хотя бы с того, что антипротоны рождаются в процессах столкновения высокоэнергетичных частиц (когда суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц превышает энергию покоя пары протон-антипротон), поэтому необходимы достаточно мощные ускорители. Но получить антипротоны - это даже не полдела: необходимо их выделить и замедлить до разумных энергий, потом направить потоки антипротонов и позитронов в "место встречи", затормозить античастицы окончательно и, при этом, обеспечить столь высокий вакуум, чтобы античастицы имели достаточное время жизни. Только тогда можно рассчитывать на получение простейшего атома антивещества - антиводорода.

Рис.1. Схематическое изображение ловушки и детектирующей системы экспериментальной установки.

В эксперименте ATRAP Collaboration для первоначального замедления протонов использовался тот же самый уникальный Антипротонный Замедлитель ЦЕРНа, что и у коллег-конкурентов, дающий на выходе антипротоны с энергией порядка 5.3 МэВ. После него предстояло уменьшить энергию антипротонов всего ... на десять порядков. На рис. 1 показана схема специальной ловушки (включающей сверхпроводящий соленоид на 5.4 Тл [находится за пределами рисунка] и систему электродов) и с системой детектирования, использовавшейся исследователями. Вся экспериментальная система находилась при гелиевой температуре (4.2 K), внутри ловушки поддерживался сверхвысокий вакуум (порядка 5 x 10^-17 торр). Пучок антипротонов с Антипротонного Замедлителя поступал снизу, замедлялся в слое вещества и попадал в ловушку, где происходило окончательное замедление до "гелиевых" энергий в результате взаимодействия с электронами (электронное охлаждение). В среднем за характерное время накопления (после прихода множества антипротонных импульсов) внизу ловушки (в районе электрода T2 - см. рис. 1. и рис. 2) накапливалось порядка 150000 антипротонов. Сверху поступали позитроны, также замедлявшиеся при прохождении через вещество и с помощью дополнительных процедур (в среднем после охлаждения районе электрода T5 - см. рис.1. и рис.2 - накапливалось порядка 1700000 позитронов).

Но просто охладить антипротоны и позитроны мало - для образования атомов антиводорода они должны еще встретиться, что тоже непросто: ведь частицы имеют заряды противоположного знака и "загнать" их электрическим полем в одно и то же место невозможно. Для того, чтобы расположить антипротоны и позитроны поблизости друг от друга, приходилось использовать достаточно хитрый потенциальный рельеф (рис. 2b): локальная потенциальная яма для позитронов располагалась между двумя потенциальнми ямами для антипротонов (минимум потенциала для антипротонов является максимумом потенциала для позитронов и наоборот). Изначально накопленные в районе электрода T2 антипротоны "сбрасывались" в яму (для "сброса" убирался потенциальный барьер в районе электрода T3 - штриховая линия на рис. 2b показывает потенциальный рельеф в этот момент), и – в условиях соседства антипротонов и позитронов – происходит позитронное охлаждение антипротонов и образование атомов антиводорода. В позитронно-антипротонной плазме посредством трехчастичной рекомбинации образуются ридберговские атомы антиводорода (ридберговскими называются атомы, находящиеся в возбужденном состоянии с большим значением главного квантового числа n порядка нескольких десятков и выше; про ридберговские атомы и процессы рекомбинации в плазме см. нашу новость ).

Однако просто получить атомы антивещества еще недостаточно - необходимо их присутствие зафиксировать. Ученые из ATHENA Collaboration регистрировали атомы антиводорода при высвобождении их из ловушки, когда они аннигилировали при взаимодействии с ее стенками. Детектировались характерные продукты аннигиляции пар антипротон-протон и позитрон-электрон и, после реконструкции путей распространения пи-мезонов и гамма-квантов, делался вывод об аннигиляции атома антиводорода, если оказывалось, источник зарегистрированных частиц локализован в небольшом пространственном интервале и все частицы зафиксированы в пределах очень малого промежутка времени. Полезный сигнал наблюдался на фоне более сильного фона, обусловленного аннигиляцией несвязанных антипротонов и позитронов. Всего было зарегистрировано около 130 случаев аннигиляции атомов антиводорода, что (по оценке) соответствует примерно 50000 образовавшимся атомам.

Рис.2. a и b - изображение системы электродов (a) и потенциала на оси ловушки (b) [изображенная на этом рисунке часть отмечена на Рис.1]; c и d - число антипротонов, высвобожденных из "ионизационной" потенциальной ямы в присутствии позитронов (c) и в отсутствии позитронов (d).

Ученые из ATRAP Collaboration пошли другим путем - они смогли зарегистрировать атомы антиводорода без какого-либо фонового сигнала. Образовавшиеся в их эксперименте атомы антиводорода, являясь электрически нейтральными, могли свободно покидать область локализации заряженных частиц, двигаясь в том направлении, в котором двигался антипротон, захвативший позитрон. Часть атомов антиводорода (но не отдельные антипротоны!) при этом могла оказаться в области "ионизационной" потенциальной ямы (см. рис. 2b). В этой области электрическое поле достаточно сильно, чтобы ионизовать ридберговский атом антиводорода (зная напряженность электрического поля в этой области, исследователи могли оценить n для образовавшихся ридберговских атомов - порядка 50; таким образом, это было первое экспериментальное исследование ридберговских состояний атомов антиводорода и рекомбинации в антипротон-позитронной плазме). В результате ионизации взамен нейтрального атома появлялась заряженная частица (антипротон), которая оказывалась локализованной в потенциальной яме. После окончания этапа позитронного охлаждения исследователи высвобождали все частицы из остальной части ловушки, а потом уже высвобождали антипротоны и регистрировали число актов аннигиляции антипротонов с материалом стенок ловушки; всего таким образом было зарегистрировано порядка 660 атомов антиводорода (рис.2с) - больше, чем в течении всех экспериментов, включая недавний эксперимент конкурентов, до этого (оценки показывают, что всего в ловушке должно было образоваться порядка 170000 атомов антиводорода). Подчеркнем еще раз, что в области "ионизационной" потенциальной ямы могли быть локализованы только антипротоны, образовавшиеся в результате ионизации атомов антиводорода (это подтверждает, в частности, тот факт, что в контрольных экспериментах (в отсутствии позитронов) подобным образом не было зарегистрировано ни одного антипротона - рис. 2d).

Итак, успех пришел почти одновременно к двум группам физиков, но этот успех - только начало: спектроскопические исследования атомов антиводорода начнутся уже в первой половине будущего года. Будем ждать результатов...

1. M.Amoretti, C.Amsler, G.Bonomi et al. Nature, v.419, 456 (2002).

2. G.Gabrielse, N.S.Bowden, P.Oxley et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 213401 (2002).

Е.Онищенко