Ученые из ATRAP Collaboration разработали метод получения холодного антиводорода с использованием лазера, что позволяет контролировать состояние образующихся атомов антиводорода и дает возможность получать антиводород с более низкой температурой, чем было возможно раньше.

Античастицы (позитроны) были впервые обнаружены в космических лучах еще в 1932 г. Однако в большом количестве синтезировать холодное (находящееся при низкой температуре) антивещество научились совсем недавно, всего два с лишним года назад, - столь это сложная задача. Тогда в ЦЕРНе были получены сотни тысяч атомов антиводорода, состоящих из антипротона и позитрона (подробности см. в нашей заметке "Много холодного антиводорода в ЦЕРНе"). Холодная антиматерия интересна с точки зрения проверки справедливости самых фундаментальных физических представлений (подробнее об этом написано в вышеупомянутой заметке). Так, согласно этим представлениям, энергетические спектры атомов водорода и антиводорода должны быть полностью идентичны. Чтобы проверить это в эксперименте, необходимы прецизионные спектроскопические исследования, а для этого требуется, что скорость атомов антиводорода была мала и они могли быть помещены в специальную ловушку, где возможно проведение спектроскопических измерений (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, как известно, приводит к аннигиляции). Малые скорости также, очевидно, необходимы для исследования влияния силы тяжести на антиматерию.

Рис.1. Схематическое изображение экспериментальной установки.

Методом, с помощью которого два года назад было получено большое количество холодного водорода, являлось позитронное охлаждение антипротонов. 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 ). Соответственно, экспериментаторы не имели возможности "задавать" состояние получающихся атомов антиводорода. В новой статье ученых из ATRAP Collaboration сообщается об "управляемом" синтезе атомов антиводорода с использованием лазера [1]. Говоря конкретнее, лазеры использовались для того, чтобы предопределить энергетическое состояние, в котором образуется атом антиводорода.

Для начала производилось накопление позитронов и антипротонов в разнесенных потенциальных ямах, сформированных с помощью кольцевых электродов (схема ловушки показана на рис.1), и охлаждение античастиц до гелиевых температур (для охлаждения антипротонов использовались электроны). Через специальный вакуумный ввод в область ловушки, где сосредоточены позитроны, вводились атомы цезия. Поток атомов цезия на пути в ловушку последовательно подвергался облучению (рис.1, рис.2) сначала инфракрасным лазером (длина волны 852 нм), переводившим примерно 1 атом из 16 из состояния 6S_1/2 в состояние 6P_3/2, а затем - импульсным лазером на парах меди (длина волны 511 нм), переводившим небольшую атомов, оказавшихся в возбужденном состоянии, в ридберговское состояние с энергией связи порядка 10 мэВ (всего в подобном состоянии оказывался каждый тысячный атом). При прохождении потока ридберговских атомов через облако позитронов с высокой эффективности происходят процессы резонансной перезарядки (в таких процессах электрон переходит от одного атома или молекулы к другому с сохранением энергии связи), т.е. в результате взаимодействия ридберговского атома цезия с позитроном образуется ион цезия и слабосвязанный позитроний (водородоподобное связанное состояние электрона и позитрона). Хотя позитроний нестабилен - позитрон и электрон аннигилируют с испусканием гамма-квантов (время жизни в основном состоянии порядка 0.1 наносекунды), - но, поскольку позитроний образуется в возбужденном состоянии, он существует в данном случае достаточно долго. Позитроний является электрически нейтральным и может покинуть пределы потенциальной ямы для позитронов (рис.2), и часть атомов позитрония оказывается в области, где находятся антипротоны. Атомы антиводорода образуются, опять же, в процессе резонансной перезарядки - в ридберговском состоянии (еще раз подчеркнем, что энергия связи образовавшихся атомов - 10 мэВ - "задана" в процессе лазерного возбуждения атомов цезия). Опять же, электрически нейтральные атомы антиводорода могут покинуть ловушку и часть атомов оказывается в области, где происходит их полевая ионизация и последующее детектирование антипротонов, которое и свидетельствует о создании атомов антиводорода.

Рис.2. Синтез холодного антиводорода с помощью лазера; Cs* - ридберговские атомы цезия, Ps* - атомы позитрония в возбужденном состоянии.

Хотя в данных экспериментах было синтезировано не столь значительное количество атомов антиводорода, как ранее, но такой цели и не стояло - необходимо было проверить работоспособность методики. Важным преимуществом получения антиводорода с использованием лазера является не только то, что состояние образовавшегося атома антиводорода заранее определённо. Важно и другое: можно ожидать, что в процессах резонансной перезарядки практически не происходит передачи кинетической энергии от позитрония антипротону в процессе образования атома антиводорода, тогда как при синтезе антиводорода в антипротон-позитронной плазме температура образующегося антиводорода существенно выше 4 K. Более того, новый метод в принципе может позволить получать антиводород с температурой не порядка 4 K, но и с гораздо меньшей температурой - порядка сотен милликельвинов (если электроны, охлаждающие антипротоны, будут поддерживаться не при гелиевой, а при более низких температурах). Если эти ожидания оправдаются, то именно данный метод может быть взят исследователями на вооружение для синтеза холодного антиводорода с целью дальнейших прецизионных спектроскопических исследований.

1. C.H.Storry, A.Speck, D.Le Sage et al. (ATRAP Collaboration). Phys.Rev.Lett, v.93, 263401 (2004).

Е.Онищенко