# Гибридный атом в ЦЕРНе: как ученые стабилизировали антиматерию внутри гелия

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=iPCpdGhCdkE
Канал: Brian Keating
Опубликовано: 21.11.2024

---

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»
[[JUMP: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 [0:14]. 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) [2:25].

Главная особенность этих противоположностей заключается в том, что при контакте они аннигилируют, превращаясь в мощную вспышку света и тепла [0:27]. 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 [2:37].

Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной, составляющий около 24% всей барионной материи [1:33]. 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 [1:59].
*   Нейтронов, которые удерживают протоны вместе за счет сильного взаимодействия [1:46].

## 🧪 Эксперимент в ЦЕРНе: Гибридный гелий
[[JUMP:3:06]]

Исследователи из нескольких международных институтов, работающие на базе ЦЕРНа в Женеве, обнаружили, что антиматерию можно «подселить» к обычной материи [3:06]. 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 [5:05].

Так возник «антипротонный гелий» — экзотический гибрид, где вокруг обычного ядра из протонов и нейтронов вращаются один электрон и один тяжелый антипротон [5:30]. 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 [6:12]. По мнению Китинга, долгое время не было ясного объяснения, почему такой гелий ведет себя настолько «послушно» [6:24].

## 🔍 Спектральные отпечатки и «эффект размытия»
[[JUMP:3:18]]

Для изучения этого феномена ученые используют спектроскопию. Каждый химический элемент имеет свой уникальный «отпечаток пальца» — набор спектральных линий поглощения или излучения [3:18]. Однако в обычном газе при комнатной температуре атомы хаотично сталкиваются, что вызывает «доплеровское уширение» или столкновительное уширение линий, делая их размытыми [3:46].

Чтобы получить четкие данные, физики охлаждают атомы до экстремально низких температур [4:11]. Гелий обладает уникальным свойством — сверхтекучестью. Это состояние вещества, аналогичное сверхпроводимости в электричестве:

*   При охлаждении ниже критической температуры гелий течет с нулевой вязкостью [4:52].
*   Жидкость может буквально «выползать» из контейнера вопреки гравитации, не встречая сопротивления [8:09].
*   В таком состоянии спектральные линии становятся невероятно четкими и резкими [5:05].

## 🧐 Две теории стабильности антиматерии
[[JUMP:6:50]]

На данный момент у ученых есть две основные гипотезы, объясняющие, почему гибридный гелий не взрывается сразу [6:50]:

1.  **Влияние сверхтекучести.** Упорядоченное движение атомов в сверхтекучем состоянии минимизирует количество столкновений между частицами, что предотвращает аннигиляцию и делает спектральные линии чистыми [8:21].
2.  **Массивность антипротона.** Антипротон в 2000 раз тяжелее электрона [9:25]. По одной из версий, из-за своего веса антипротоны «прячутся» за электронными оболочками, что снижает вероятность их взаимодействия с окружающей средой [9:53].

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?» [10:21]. Ученые пока не знают точно, какая из теорий верна, или же имеет место комбинация обоих факторов [10:21].

## 🌌 Почему это важно для космологии?
[[JUMP: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 [11:00]. Они должны были полностью аннигилировать друг друга в первые наносекунды, оставив после себя лишь пустое пространство, наполненное фотонами [12:05].

Тот факт, что мы существуем, указывает на наличие асимметрии, называемой бариогенезисом [11:14]. 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 [12:31].
*   Изучению еще более экзотических частиц, таких как пионы и каоны (комбинации кварков и антикварков), чье значение для науки мы только начинаем осознавать [12:44].

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 [12:05].