Екип учени, ръководен от физика Масаки Хори (Masaki Hori) от Института по квантова оптика "Макс Планк", открива в ЦЕРН, че хибриден атом от антиматерия и материя се държи по неочакван начин, когато е потопен в свръхтечен хелий. Резултатът може да открие нов начин за използване на антиматерия за изследване на свойствата на кондензираната материя или за търсене на антиматерия в космическите лъчи.

Когато надникват в неясния свят на антиматерията, изследователите трябва да разчитат на сложни технически трикове, за да предпазят пробите си от антиматерия да не влязат в контакт с нормалната материя, която ни заобикаля. Тази изолация е изключително важна, защото антиматерията и материята незабавно се унищожават взаимно при контакт. Международен екип от учени, ръководен от Института по квантова оптика към "Макс Планк" (MPQ) в Гархинг, въпреки това комбинира материята и антиматерията в интересни хибридни атоми на хелий, които остават стабилни за кратки периоди от време. Сега изследователите от Италия, Унгария и Германия са потопили странните атоми в течен хелий и са го охладили до температури, близки до абсолютната нула - където хелият преминава в така нареченото свръхфлуидно състояние.

Резултатите от експериментите, проведени в Европейската организация за ядрени изследвания (CERN) в Женева, Швейцария, изненадват учените заради прецизния и чувствителен начин, по който хибридните атоми антиматерия-материя реагират на лазерна светлина въпреки плътната течност, която заобикаля атомите.

„Експериментите с антиматерия са особено важни по отношение на основните закони на физиката“, отбелязва Масаки Хори, ръководител на екипа.

Например Стандартният модел на физиката на елементарните частици - основата на сегашното научно разбиране за структурата на Вселената и силите, действащи в нея - изисква частиците и техните античастици да се различават само по знака на своя електрически заряд. Антипротонът - двойникът на положително заредения протон, градивен елемент на атомните ядра - носи отрицателен заряд. Според Стандартния модел останалите му свойства трябва да са идентични.

„В нашите минали експерименти не открихме доказателства, че масите на протоните и антипротоните се различават ни най-малко“, отбелязва Хори. „Ако може да бъде открита такава разлика, колкото и малка да е, тя би разклатила основите на сегашния ни възглед за света.

Но може ли наличните експериментални методи просто да не са достатъчно чувствителни, за да открият някакви фини разлики, които би могло да съществуват?

„Не можем да изключим това“, отбелязва Хори.

Ето защо учените от цял ​​свят прецизират различни техники, за да изследват характеристиките на античастиците с все по-голяма прецизност.

„За да се направи това, атомите на антиматерия са принуждавани магнитно да левитират във вакуумни камери за спектроскопски измервания. Други експерименти са ограничили антипротони в йонни капани, направени от електрически и магнитни полета", обяснява Хори. "Нашият екип преди е използвал този хибриден хелиев атом, за да сравни точно масите на антипротони и електрони."

С последните открития на своя екип обаче физикът от Гархинг проправи пътя за различно приложение на антиматерията чрез оптична спектроскопия на антипротонни хелиеви атоми в свръхфлуидна среда.

Антипротон в електронната обвивка

За да създадат екзотичните хелиеви атоми, съдържащи антипротони, изследователите са използвали антипротонния забавител в ЦЕРН - уникално за света съоръжение, което забавя частиците антиматерия, създадени при сблъсъци на високоенергийни протони. Бавната скорост на антипротоните ги прави идеални за експериментите на екипа на Хори. Изследователите смесват бавните антипротони с течен хелий, охладен до температура от няколко градуса над абсолютната нула или минус 273 градуса по Целзий, улавяйки малка част от антипротоните в атомите на хелия. Антипротонът заменя един от двата електрона, които обикновено обикалят атомното ядро ​​на хелий - образувайки структура, която остава стабилна достатъчно дълго, за да бъде изследвана спектроскопски.

_{Снимка на квадруполната триплетна леща, използвана за фокусиране на антипротонния лъч в хелиева цел. Кредит: CERN}

„Досега се смяташе, че атомите на антиматерия, вградени в течности, не могат да бъдат изследвани чрез спектроскопия с висока разделителна способност с помощта на лазерни лъчи“, съобщава Хори.

Това е така, защото интензивните взаимодействия между плътноразположените атоми или молекули на течността водят до силно разширяване на спектралните линии. Тези линии са изображения на резонанси, при които енергията, погълната от лазерния лъч, възбужда атомите. По този начин те са един вид пръстов отпечатък, който идентифицира всеки атом. Точното положение на резонансната линия в честотната скала, както и формата разкриват свойствата на атома, който се изследва, и силите, действащи върху античастицата. Но разширяването на линиите замъглява тази информация, защото е на практика размазана.

Изненадващо тънка линия при 2,2 Келвина

В поредица от експерименти учените разглеждат спектроскопски антипротонните хелиеви атоми при различни температури. За да направят това, те облъчват течния хелий със светлина от титаниево-сапфирен лазер, който възбужда два характерни резонанса на антипротонните атоми на две различни честоти.

Откритието е изненадващо:

„Ако температурата падне под критичната температура от 2,2 Келвина – 2,2 градуса по Целзий над абсолютната нула – при което хелият навлиза в свръхфлуидно състояние, формата на спектралните линии внезапно се промени“, съобщава Анна Сотер (Anna Sótér), докторант от екипа на MPQ и наскоро повишена като асистент в ETH Zürich. "Линиите, които бяха много широки при по-високи температури, станаха тесни."

Свръхфлуидата фаза е специално течно състояние, което се характеризира, наред с други неща, с липсата на вътрешно триене. Квантовото физическо явление е типично за хелия при изключително ниски температури.

„Как се случва поразителната промяна в спектралните линии на антипротона в такава среда и какво се случва физически в процеса все още не знаем“, коментира Хори. „Самите ние бяхме изненадани.“

Но възможностите, предлагани от ефекта, са широкообхватни. Това е така, защото стесняването на резонансните линии е толкова драстично, че когато се възбуди със светлина, така наречената хиперфина структура може да бъде стане контрастна, съобщават учените в публикация в Nature. Свръхфината структура е следствие от взаимното влияние на електрона и антипротона в атома. Това показва, че изследователите биха могли да създадат в свръхфлуиден хелий други хибридни хелиеви атоми с различна антиматерия и екзотични частици, за да проучат в детайли техния отговор на лазерната светлина и да измерват техните маси. 

_{Експериментален дизайн. Антипротоните, излизащи от радиочестотен квадруполен (RFQ) забавител, спират в газообразна или свръхкритична фаза на хелий, He I или He II. Произведените p¯He+ атоми са облъчени с резонансен лазерен импулс. Кредит: Sótér, A., Aghai-Khozani, H., Barna, D. et al. High-resolution laser resonances of antiprotonic helium in superfluid 4He. Nature 603, 411–415 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04440-7}

Търсене на частици в космическото излъчване

Ярките спектрални линии могат да бъдат полезни и при откриване на антипротони и антидеутрони (деутеронът е ядро ​​на деутерий - тежък водород) в космическите лъчи. Изследователите са по следите на тях от години, например с експерименти на борда на Международната космическа станция. Скоро учените ще пуснат и тестов балон над Антарктида - с инструмент на борда, който може да открива антипротони и антидеутрони, които може да съществуват на много големи височини в атмосферата.

„Детекторите със свръхфлуиден хелий могат да подкрепят бъдещи експерименти и може да са подходящи за улавяне и анализиране на античастици от космоса. Многобройни технически предизвикателства обаче трябва да бъдат преодолени, преди тези методи да допълнят съществуващите", предвижда Масаки Хори.

Това вероятно би помогнало за решаването на друга голяма загадка: въпросът за природата на тъмната материя - неизвестна досега форма на материя, която е невидима, но очевидно представлява голяма част от масата във Вселената. В някои теории се смята, че когато тъмната материя взаимодейства в ореола на нашата Галактика, могат да се получат антипротони и антидеутрони, които след това могат да бъдат достигнат Земята. Антиматерията може да хвърли светлина върху тази тъмна област.

Sótér, A., Aghai-Khozani, H., Barna, D. et al. High-resolution laser resonances of antiprotonic helium in superfluid 4He. Nature 603, 411–415 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04440-7

Antiprotons in Superfluid: Hybrid Antimatter-Matter Atom Behaves in Unexpected Way, Max Planck Institute