В антипротонном гелии один из двух электронов атома гелия заменен антипротоном.
Тони Мелов / Science Source
На протяжении десятилетий исследователи играли с антивеществом в поисках новых законов физики. Эти законы придут в форме сил или других явлений, которые будут сильно отдавать предпочтение материи над антиматерией, или наоборот. Тем не менее, физики не нашли ничего неправильного, никаких убедительных признаков того, что частицы антивещества, которые являются просто противоположно заряженными близнецами знакомых частиц, подчиняются другим правилам.
Это не изменилось. Но, проводя точные эксперименты с антивеществом, одна команда наткнулась на загадочное открытие. Погруженные в жидкий гелий гибридные атомы, состоящие как из вещества, так и из антивещества, ведут себя неправильно. В то время как удары от тушеного мяса привели бы в беспорядок свойства большинства атомов, гибридные атомы гелия сохраняют маловероятную однородность. Открытие было настолько неожиданным, что исследовательская группа провела годы, проверяя свою работу, переделывая эксперимент и споря о том, что может происходить. Окончательно убедившись, что их результат реален, группа подробно описала свои выводы сегодня в журнале Nature .
Анна Сотер в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии.
Проект был разработан, чтобы увидеть, возможна ли вообще спектроскопия в гелиевой ванне — доказательство концепции будущих экспериментов, в которых будут использоваться еще более экзотические гибридные атомы.
Но Сотеру было любопытно, как гибридные атомы будут реагировать на разные температуры гелия. Она убедила коллег потратить драгоценную антиматерию на повторение измерений во все более холодных гелиевых ваннах.
«Это была случайная идея с моей стороны», — сказал Сотер, ныне профессор Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. «Люди не были убеждены, что стоит тратить на это антипротоны».
В то время как спектральные линии большинства атомов совершенно сбились бы с пути во все более плотной жидкости, расширившись, возможно, в миллион раз, атомы Франкенштейна сделали обратное. Когда исследователи понизили гелиевую ванну до более низких температур, спектральное пятно сузилось. А ниже примерно 2,2 Кельвина, когда гелий становится «сверхтекучим» без трения, они увидели линию, почти такую же острую, как самая узкая, которую они видели в газообразном гелии. Несмотря на то, что атомы гибридной материи и антиматерии, по-видимому, пострадали от плотного окружения, они действовали в невероятном унисон.
Не зная, что делать с экспериментом, Сотер и Хори сидели за результатом, обдумывая, что могло пойти не так.
«Мы продолжали спорить много лет, — сказал Хори. «Мне было не так просто понять, почему это так».
Близкий вызов
Со временем исследователи пришли к выводу, что ничего не пошло наперекосяк. Плотная спектральная линия показала, что гибридные атомы в сверхтекучем гелии не испытывают атомных столкновений на манер бильярдных шаров, типичных для газа. Вопрос был в том, почему. Посоветовавшись с различными теоретиками, исследователи пришли к двум возможным причинам.
Один связан с природой жидкого окружения. Атомный спектр резко сузился, когда группа охладила гелий до сверхтекучего состояния — квантово-механическое явление, при котором отдельные атомы теряют свою идентичность таким образом, что это позволяет им течь вместе, не трясь друг о друга. Сверхтекучесть в целом снижает остроту атомных столкновений, поэтому исследователи ожидают, что чужеродные атомы испытают лишь легкое расширение или даже ограниченное сжатие в некоторых случаях. «Сверхтекучий гелий, — сказал Лемешко, — самая мягкая из известных вещей, в которую можно погружать атомы и молекулы».
Но хотя сверхтекучий гелий, возможно, и помог гибридным атомам стать наиболее изоляционистскими, сам по себе он не может объяснить, насколько хорошо вели себя атомы. Исследователи полагают, что еще одним ключом к их соответствию была их необычная структура, вызванная компонентом антиматерии.
В обычном атоме крошечный электрон может уйти далеко от своего атома-хозяина, особенно при возбуждении лазером. На таком свободном поводке электрон может легко столкнуться с другими атомами, нарушив внутренние энергетические уровни своего атома (и приведя к расширению спектра).
Когда Сотер и ее коллеги заменили быстрые электроны неуклюжими антипротонами, они радикально изменили динамику атома. Массивный антипротон в гораздо большей степени является домашним телом, оставаясь близко к ядру, где его может укрыть внешний электрон. «Электрон похож на силовое поле, — сказал Хори, — на щит».
Тем не менее, эта грубая теория заходит так далеко. Исследователи до сих пор не могут объяснить, почему спектральное уширение изменилось на обратное, когда они перешли от газа к жидкости и сверхтекучести, и у них нет возможности рассчитать степень сжатия. «Вы должны быть предсказуемы, иначе это не теория», — сказал Хори. — Это просто махание рукой.
Супер инструменты
Между тем это открытие открыло новую область для спектроскопии.
Существуют пределы того, что экспериментаторы могут измерить, используя газы низкого давления, где атомы перемещаются. Это безумное движение создает больше отвлекающего расширения, с которым исследователи борются, замедляя атомы с помощью лазеров и электромагнитных полей.
Склеивание атомов в жидкости — это более простой способ удерживать их относительно неподвижными, теперь, когда исследователи знают, что намокание частиц не обязательно разрушит их спектральные линии. А антипротоны — это всего лишь один из видов экзотических частиц, которые могут попасть на орбиту вокруг ядра гелия.
Группа Хори уже применила эту технику для изготовления и изучения «пионного» гелия, в котором чрезвычайно короткоживущая частица «пион» заменяет электрон. Исследователи провели первые спектроскопические измерения пионного гелия, которые они описали в журнале Nature в 2020 году. Затем Хори надеется использовать этот метод, чтобы получить частицу каона (более редкого родственника пиона) и версию протон-нейтрона из антивещества. пара на каблуке. Такие эксперименты могут позволить физикам измерить некоторые фундаментальные константы с беспрецедентной точностью.
«Это новая возможность, которой раньше не было, — сказал Хори.
Примечание редактора: Натали Волховер внесла свой вклад в подготовку этой статьи.