Ученые из ЦЕРНа совершили прорыв, который на первый взгляд кажется невозможным: они объединили материю и антиматерию в рамках одной структуры, не вызвав при этом мгновенной аннигиляции. Экспериментальный физик и космолог Брайан Китинг объясняет, как создание «антипротонного гелия» помогает разгадать тайну возникновения Вселенной и почему этот гибридный атом ведет себя гораздо стабильнее, чем предсказывала классическая теория.
🌌 Природа материи и её «злого двойника» 0:00
Все, что нас окружает — от воздуха до воды и живых существ, — состоит из обычной барионной материи. Однако с 1932 года науке известно о существовании антиматерии . Это своего рода «зеркальное отражение» обычных частиц, где заряды инвертированы: у антипротона отрицательный заряд (в отличие от положительного протона), а у позитрона — положительный (в отличие от отрицательного электрона) .
Главная особенность этих противоположностей заключается в том, что при контакте они аннигилируют, превращаясь в мощную вспышку света и тепла . По словам Брайана Китинга, его дети даже шутят, что электроны стоило бы называть «негатронами», чтобы подчеркнуть их заряд, но в физике элементарных частиц терминология уже устоялась .
Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной, составляющий около 24% всей барионной материи . В обычном состоянии атом гелия-4 состоит из:
- Ядра с двумя протонами и двумя нейтронами.
- Двух электронов на внешних орбиталях, которые нейтрализуют положительный заряд ядра .
- Нейтронов, которые удерживают протоны вместе за счет сильного взаимодействия .
🧪 Эксперимент в ЦЕРНе: Гибридный гелий 3:06
Исследователи из нескольких международных институтов, работающие на базе ЦЕРНа в Женеве, обнаружили, что антиматерию можно «подселить» к обычной материи . В ходе эксперимента антипротоны выстреливались в ванну с холодным жидким гелием. К удивлению ученых, некоторые антипротоны не сталкивались с ядрами немедленно, а заменяли собой один из электронов на орбите атома .
Так возник «антипротонный гелий» — экзотический гибрид, где вокруг обычного ядра из протонов и нейтронов вращаются один электрон и один тяжелый антипротон . Поскольку антипротон имеет отрицательный заряд, как и замещенный им электрон, электрический баланс атома сохранился.
Основная сложность заключалась в том, чтобы понять, почему положительно заряженные протоны в ядре не «всосали» и не аннигилировали отрицательно заряженный антипротон мгновенно . По мнению Китинга, долгое время не было ясного объяснения, почему такой гелий ведет себя настолько «послушно» .
🔍 Спектральные отпечатки и «эффект размытия» 3:18
Для изучения этого феномена ученые используют спектроскопию. Каждый химический элемент имеет свой уникальный «отпечаток пальца» — набор спектральных линий поглощения или излучения . Однако в обычном газе при комнатной температуре атомы хаотично сталкиваются, что вызывает «доплеровское уширение» или столкновительное уширение линий, делая их размытыми .
Чтобы получить четкие данные, физики охлаждают атомы до экстремально низких температур . Гелий обладает уникальным свойством — сверхтекучестью. Это состояние вещества, аналогичное сверхпроводимости в электричестве:
- При охлаждении ниже критической температуры гелий течет с нулевой вязкостью .
- Жидкость может буквально «выползать» из контейнера вопреки гравитации, не встречая сопротивления .
- В таком состоянии спектральные линии становятся невероятно четкими и резкими .
🧐 Две теории стабильности антиматерии 6:50
На данный момент у ученых есть две основные гипотезы, объясняющие, почему гибридный гелий не взрывается сразу :
- Влияние сверхтекучести. Упорядоченное движение атомов в сверхтекучем состоянии минимизирует количество столкновений между частицами, что предотвращает аннигиляцию и делает спектральные линии чистыми .
- Массивность антипротона. Антипротон в 2000 раз тяжелее электрона . По одной из версий, из-за своего веса антипротоны «прячутся» за электронными оболочками, что снижает вероятность их взаимодействия с окружающей средой .
Китинг в шутку отмечает, что теперь, когда он хочет приструнить своих детей, он говорит им: «Почему вы не можете вести себя так же послушно, как ваш антипротонный двойник?» . Ученые пока не знают точно, какая из теорий верна, или же имеет место комбинация обоих факторов .
🌌 Почему это важно для космологии? 10:48
Изучение экстремальных форм материи помогает ответить на фундаментальный вопрос: почему существует Вселенная? Согласно принципам симметрии, в момент Большого взрыва должно было возникнуть равное количество материи и антиматерии . Они должны были полностью аннигилировать друг друга в первые наносекунды, оставив после себя лишь пустое пространство, наполненное фотонами .
Тот факт, что мы существуем, указывает на наличие асимметрии, называемой бариогенезисом . Стабильность гибридного гелия позволяет проводить сверхточные измерения, которые могут пролить свет на этот «космический детектив».
В будущем, как предполагает Китинг, технологии могут привести к созданию:
- Антипериодической таблицы элементов — полной системы химических элементов из антиматерии .
- Изучению еще более экзотических частиц, таких как пионы и каоны (комбинации кварков и антикварков), чье значение для науки мы только начинаем осознавать .
До сих пор ученым приходилось довольствоваться «размытыми» изображениями, но теперь эксперименты в ЦЕРНе позволяют работать в «чистой среде», приближая человечество к разгадке тайны преобладания материи во Вселенной .
