Ученые ЦЕРН достигли исторического контроля над частицами антиматерии

Ученые Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) достигли важного этапа в понимании Вселенной. Международная команда исследователей впервые успешно проконтролировала спин отдельного антипротона. Это достижение является частью эксперимента по изучению симметрии барионов и антибарионов (BASE). Оно помогает ученым изучать антиматерию — одну из величайших загадок современной физики. Доктор Джек Девлин, исследователь из Имперского колледжа Лондона и член команды BASE, объяснил важность этой работы. Он отметил, что хотя ученые уже давно контролируют атомы и молекулы, с антиматерией это делать гораздо сложнее. Этот новый уровень контроля позволяет исследователям детально изучать фундаментальные свойства этих редких частиц. Работа команды была недавно признана одним из главных прорывов журналом Physics World. Антиматерию часто описывают как зеркальное отражение обычной материи. Антипротон имеет ту же массу, что и обычный протон, но обладает противоположным электрическим зарядом. При встрече материи и антиматерии они аннигилируют во вспышке энергии. Из-за этого антиматерию чрезвычайно трудно хранить и изучать в лабораторных условиях. Для изучения антипротона команда использовала устройство под названием криогенная ловушка Пеннинга. Этот инструмент использует низкие температуры и сильные электромагнитные поля для удержания частицы на месте. Изолировав антипротон от окружающей среды, ученые смогли поддерживать его стабильность в течение очень долгого времени. В некоторых случаях частицы могут удерживаться в ловушке месяцами и даже годами. Исследователи сосредоточились на свойстве, называемом спином, которое заставляет частицу вести себя как крошечный магнит. Спин может быть направлен в две стороны, что ученые называют двухуровневой системой. Используя точно настроенные электромагнитные поля, команда смогла заставить спин переключаться из одного положения в другое. Этот процесс известен как когерентный контроль, и он необходим для проведения точных измерений. Одним из самых впечатляющих аспектов эксперимента стала продолжительность контроля. Команда продемонстрировала, что спин антипротона оставался стабильным более 50 секунд. Это очень долго в мире субатомных частиц, что позволило команде наблюдать множество переключений спина. Эта стабильность — ключевое требование для следующего поколения физических экспериментов. Данное исследование направлено на ответ на фундаментальный вопрос: почему существует Вселенная? Согласно Стандартной модели физики, Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Однако почти все, что мы видим сегодня, от звезд до людей, состоит из материи. Ученые ищут любую мельчайшую разницу между ними, которая могла бы объяснить, почему материя одержала верх. Контролируя спин, команда BASE теперь может измерять магнитные свойства антипротона с гораздо более высокой точностью. В частности, они изучают g-фактор — величину, описывающую реакцию частицы на магнитные поля. Ожидается, что новая методика будет как минимум в 16 раз точнее предыдущих. Даже мельчайшее различие в g-факторе между протонами и антипротонами может изменить наше понимание физики. Проект включает в себя широкое международное сотрудничество ученых со всего мира. Помимо ЦЕРН и Имперского колледжа Лондона, в исследовании приняли участие специалисты из ряда других институтов. Эти глобальные усилия показывают, насколько сложным и важным стало изучение антиматерии. Результаты были впервые опубликованы в научном журнале Nature, а затем получили широкое признание. В будущем команда BASE планирует использовать новые инструменты для проведения еще более чувствительных тестов. Они хотят проверить, одинаково ли законы природы относятся к материи и антиматерии. Если они обнаружат расхождение, это может привести к созданию новой теории, выходящей за рамки Стандартной модели. Пока же возможность управлять антипротоном знаменует собой исторический шаг вперед в квантовой науке. Этот прорыв является частью масштабной программы Имперского колледжа Лондона под названием «Квантовые тесты фундаментальной физики». Программа использует передовые технологии для исследования основ природного мира. Объединяя инженерное дело и физику, исследователи надеются раскрыть тайны ранней Вселенной. Успех эксперимента BASE открывает четкий путь для будущих открытий в этой области.