Еще в 1930-х годах физик-теоретик Поль Дирак предсказал открытие антиэлектрона (позитрона), существование которого было подтверждено экспериментально. В 1950-е годы, когда был открыт и антипротон, встал вопрос о синтезе атома антиводорода, который состоял бы из этих двух античастиц. Этот синтез был осуществлен недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН).
Не так давно в Европейском центре ядерных исследований завершился эксперимент PS210. ЦЕРН распространил по сети "Интернет" следующее сообщение: "Международной группе под руководством профессора Вальтера Ойлерта наконец-то удалось синтезировать атомы антивещества из составляющих-античастиц. За трехнедельный срок в результате столкновения между антипротонами и атомами ксенона образовались девять атомов антивещества. Каждый просуществовал приблизительно сорок миллиардных долей секунды и, пройдя со скоростью, близкой к скорости света, десятиметровый отрезок, аннигилировал с обычным веществом. Именно аннигиляционная вспышка и засвидетельствовала рождение антивещества.
Обычные атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра. Самый простой — атом водорода: его ядро состоит из одного протона, вокруг которого обращается единственный электрон. Рецепт антиводорода чрезвычайно прост: берем один антипротон и добавляем один антиэлектрон, который запускаем на орбиту вокруг антипротона. Но на Земле этих частиц не бывает — их надо специально получать в лабораториях. На ЦЕРНовском низкоэнергетическом антипротонном кольцевом ускорителе (LEAR) экспериментаторы прогоняли заранее заготовленные антипротоны сквозь ксеноновую струю.
Антипротоны, за секунду делавшие в ускорителе 3 млн оборотов, изредка наталкивались на атомы ксенона и расходовали часть своей энергии на создание электрон-позитронной пары. В удачных случаях скорость позитрона оказывалась достаточно близкой к скорости антипротона, и тогда происходил захват: рождался атом антиводорода.
Обычный водород составляет три четверти Вселенной, и многие наши знания о ней были получены в ходе его изучения. Если бы поведение антиводорода хоть в чем-нибудь отличалось от поведения обычного водорода, физикам пришлось бы изменить общепринятые представления о симметрии между веществом и антивеществом или вовсе от них отказаться. Предполагают, что антивещество взаимодействует с гравитацией совершенно так же, как и обычное вещество. Но если это не так — надо установить, как именно и почему.
Стало быть, следующий шаг — выяснить, отличается ли поведение антиводорода от поведения обычного водорода. Сравнение может быть проведено с поразительной точностью — до миллионных долей триллионных долей, — и если обнаружится хотя бы мельчайшая асимметрия, наши знания о Вселенной будут кардинально реформированы. Чтобы выявить такую асимметрию, надо научиться удерживать антиатомы на протяжении секунд, дней, недель, месяцев. Сейчас в ЦЕРНе активно разрабатывается методика удержания антивещества. Планируются новые эксперименты, ставящие целью захват антивещества электромагнитными ловушками и последующий высокоточный его анализ. Синтез первых атомов антивещества прокладывает дорогу к систематическому исследованию антимира".
Ъ попросил прокомментировать этот пресс-релиз сотрудника теоретического отдела Российского научного центра "Институт теоретической и экспериментальной физики" доктора физико-математических наук, члена Нью-Йоркской академии наук Бориса Олеговича Кербикова.
ЦЕРН — самый крупный в Европе центр исследований в области физики высоких энергий, расположенный в Швейцарии под Женевой и частично во Франции. В распоряжении ученых, работающих в ЦЕРНе, наиболее современные ускорители и технологии.
Интересно, однако, что это важное открытие было получено относительно небольшой группой ученых и не на многокилометровом высокоэнергетическом ускорителе, а на дешевом и в определенном смысле устаревшем (10 лет эксплуатации) медленном ускорителе LEAR. Несмотря на всю сенсационность находки, по финансовым причинам LEAR будет закрыт в ближайшие два года.
Открытие антиводорода может оказаться очень важным для подтверждения фундаментальных физических представлений. Например, для определения характера взаимодействия антиматерии с гравитационным полем необходимо работать с незаряженными частицами — в противном случае электромагнитные эффекты будут просто "забивать" гравитационные. Атом антиводорода как раз и представляет собой одну из таких частиц.
Другая интересная задача — исследование энергетических уровней в атоме антиводорода. Теория предсказывает, что частоты фотонов, испускаемых атомами антиводорода при изменении состояния, будут совпадать с частотами фотонов, испускаемых обычным водородом.
Кроме того, для астрономов-космологов будет представлять интерес исследование взаимодействия антиводорода с водородом. Если допустить существование областей Вселенной, занятых антивеществом, то на стыке подобных областей и областей обычных должно происходить именно такое взаимодействие.
Что касается методики самого эксперимента, то выбран был самый легкий способ синтеза. К недостаткам критики относят слишком высокую скорость и, соответственно, недолговечность антиатомов — это делает их непригодными для исследования антивещества как такового. Кроме того, при выбранной (весьма изощренной) схеме детектирования исследователи узнают о рождении антиатомов лишь после их смерти. Так что главной задачей в этом направлении станут охлаждение антиводорода, то есть получение очень медленных атомов, и удержание их в электромагнитных ловушках.
Не исключено, что в решении этой задачи поможет модификация метода, разработанного ныне покойным академиком Будкером, бывшим директором Института ядерной физики в Новосибирске.
ПАВЕЛ Ъ-КРИЖЕВСКИЙ, ВАСИЛИЙ Ъ-ГОЛЫШЕВ