Антиводород

В 2016 году в эксперименте ALPHA был измерен электронный переход между двумя низшими энергетическими уровнями антиводорода, 1S-2S. Результаты оказались идентичны измерениям для водорода в пределах разрешающей способности эксперимента, подтверждая идею симметрии материи — антиматерии и CPT-симметрии[7].

В присутствии магнитного поля переход 1S-2S расщепляется на два сверхтонких перехода с несколько различными частотами. Команда рассчитала частоты переходов для нормального водорода под действием магнитного поля в ограниченном объёме как:

f_dd = 2466061103064 (2) кГц

f_cc = 2466061707104 (2) кГц

Однофотонный переход между S-состояниями запрещён квантовыми правилами отбора, поэтому, чтобы перевести позитроны из основного состоянии в состояние 2S, ограниченное пространство освещалось лазером, настроенным на половину рассчитанной частоты переходов, стимулируя разрешённое двухфотонное поглощение.

Атомы антиводорода, возбуждённые до состояния 2S — нестабильны, и могут затем перейти одним из нескольких способов в другие состояния:

• Они могут испускать два фотона и сразу же возвращаться в основное состояние, как раньше.
• Они могут поглотить другой фотон, который ионизирует атом.
• Они могут испустить одиночный фотон и вернуться в основное состояние через состояние 2P — в этом случае спин позитрона может измениться или остаться прежним.

И ионизация, и переворот спина заставляют атом вырваться из ловушки. Команда подсчитала, что, если предположить, что антиводород ведёт себя как обычный водород, примерно половина атомов антиводорода будет потеряна во время воздействия резонансной частоты, по сравнению со случаем без лазера. При настроенном лазерном источнике 200 кГц ниже половины частоты перехода расчётные потери были по существу такими же, как и для случая отсутствия лазера.

Команда ALPHA создавала сгустки антиводорода, выдерживала их в течение 600 секунд, а затем уменьшала поле удержания в течение 1,5 секунд, подсчитывая, сколько атомов антиводорода аннигилировало. Они сделали это при трёх разных экспериментальных условиях:

• При резонансе: — воздействие на атомы антиводорода в ловушке лазерным источником, настроенным ровно на половину частоты перехода, в течение 300 секунд для каждого из двух переходов,
• Вне резонанса: — воздействие на атомы антиводорода в ловушке лазерным источником, настроенным на 200 килогерц ниже двух резонансных частот, в течение 300 секунд каждая,
• Без лазера: — удержание атомов антиводорода без какого-либо лазерного освещения.

Два элемента управления, вне резонанса и без лазера, были необходимы, чтобы гарантировать, что лазерное излучение само по себе не вызывает аннигиляции, возможно, путём высвобождения нормальных атомов с поверхности ограничивающего сосуда, которые затем могут объединиться с антиводородом.

Команда провела 11 пусков по трём случаям и не обнаружила существенной разницы между пусками вне резонанса и отсутствием лазера, но на 58 % снизилось количество событий, обнаруженных после прохождения резонанса. Они также смогли подсчитать события аннигиляции во время сеансов и обнаружили более высокий уровень во время резонансных запусков, опять же без существенной разницы между нерезонансным и безлазерного пусками. Результаты хорошо согласуются с предсказаниями, основанными на нормальном водороде, и могут быть «интерпретированы как проверка симметрии CPT с точностью до 200 ppt»[8].

Эксперименты, проведённые коллаборациями ATRAP и ATHENA в ЦЕРНе, объединили позитроны и антипротоны в ловушках Пеннинга, что привело к синтезу с типичной скоростью 100 атомов антиводорода в секунду. Антиводород был впервые получен ATHENA в 2002 году[21], а затем ATRAP[22] и к 2004 году были произведены миллионы атомов антиводорода. Синтезированные атомы имели относительно высокую температуру (несколько тысяч кельвинов) и, как следствие, ударялись о стенки экспериментальной установки и аннигилировали. Большинство тестов на точность требуют длительного наблюдения.

ALPHA, преемница коллаборации ATHENA, была создана для стабильного улавливания антиводорода[20]. Будучи электрически нейтральным, его спиновые магнитные моменты взаимодействуют с неоднородным магнитным полем; некоторые атомы будут притягиваться к магнитному минимуму, созданному комбинацией зеркального и мультипольного полей[23].

В ноябре 2010 года коллаборация ALPHA объявила, что они захватили 38 атомов антиводорода на шестую долю секунды[24], что стало первым успехом удержания нейтрального антивещества. В июне 2011 года они захватили 309 атомов антиводорода, до 3 одновременно, на срок до 1000 секунд[25]. Затем они изучили его сверхтонкую структуру, гравитационные эффекты и заряд. ALPHA продолжит измерения наряду с экспериментами ATRAP, AEGIS и GBAR.

Более крупные атомы антивещества, такие как антидейтерий (${\displaystyle {\overline {D}}}$), антитритий (${\displaystyle {\overline {T}}}$) и антигелий (${\displaystyle {\overline {He}}}$), которые произвести гораздо сложнее. Антидейтерий[26][27], антигелий-3 (${\displaystyle ^{3}{\overline {He}}}$)[28][29] и антигелий-4 (${\displaystyle ^{4}{\overline {He}}}$), другие ядра[30] создаются с такими высокими скоростями, что синтез соответствующих им атомов создаёт несколько технических препятствий.