В эксперименте ASACUSA заработала линия по производству антиводорода

Рис. 1. Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода

Рис. 1. Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода. Изображение с сайта cds.cern.ch

Одна из групп, изучающих в ЦЕРНе свойства антиматерии, — ASACUSA — сообщает о том, что после десятилетия разработок и технических приготовлений их установка начала производить антиводород. Главная цель этого эксперимента — измерить величину сверхтонкого расщепления в антиводороде, сравнить результат с водородом и тем самым попытаться обнаружить различие между их энергетическими уровнями. В случае положительного результата это будет иметь радикальные последствия для современной физики микромира.

Зачем изучать антиводород?

На днях в журнале Nature Communications была опубликована статья, сообщающая об успешном синтезе антиводорода в эксперименте ASACUSA (рис. 1) — одном из экспериментов в ЦЕРНе, занимающихся изучением антивещества. Вообще-то, само по себе получение антиводорода — давно уже не новость, см. краткий экскурс в историю изучения антивещества в следующем разделе этой новости, а также тематическую страничку на сайте ЦЕРНа. Однако эксперимент ASACUSA, название которого расшифровывается как Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons («Атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов»), ставит перед собой цели, недоступные прочим экспериментам. В нём физики собираются проводить, среди прочего, очень точные спектроскопические измерения антиводорода и сравнивать результаты с водородом. В случае обнаружения различия между уровнями энергии водорода и антиводорода эта находка станет революционным результатом для теорфизики.

Для начала стоит пояснить, почему такая, казалось бы, «скучная» атомная физика может иметь столь далекие последствия для устройства микромира. Дело в том, что в физике элементарных частиц есть очень важное утверждение, которое в самом упрощенном виде звучит так: все существенные свойства частиц и античастиц должны совпадать. У частиц и античастиц могут немножко отличаться угловые распределения или иные предпочтения в распадах или столкновениях, но интегральные характеристики должны быть одинаковыми. В квантовой теории это носит название CPT-симметрии (см. популярное ее описание), и практически все теории взаимодействия частиц — будь то Стандартная модель или многочисленные варианты Новой физики — действительно обладают этой симметрией. В применении к атомам антивещества это означает, что все уровни энергии в водороде и антиводороде должны быть одинаковые.

Есть, впрочем, класс теорий, которые допускают нарушение CPT-симметрии. Однако это нарушение дается не просто так: вместе с CPT-симметрией приходится «ломать» и лоренц-инвариантность теории (такая возможность возникает, в частности, в теории суперструн), то есть приходится сделать некоторые совершенно радикальные предположения о свойствах физического мира. Вот тогда спектроскопия водорода и антиводорода будет отличаться. Таким образом, экспериментальное наблюдение несовпадающих уровней энергии в водороде и антиводороде имело бы радикальные последствия для современной физики.

Конечно, все подобные эффекты должны быть слабые, иначе их проявление обнаружилось бы в свойствах элементарных частиц и их античастиц. Но слабость эффектов не должна пугать: ведь спектроскопические измерения как раз славятся своей сверхвысокой точностью. Например, в том же водороде разность энергии между уровнями 1S и 2S (то есть между основным и первым возбужденным состояниями электрона) уже измерена с точностью лучше, чем 10–14. Именно поэтому есть надежда, что самыми прозорливыми в этом вопросе окажутся эксперименты по сверхточному измерению уровней энергии в атоме антиводорода.

Теоретические исследования показывают, что наиболее чувствительной к гипотетическому CPT-нарушению будет разница энергий не между 1S и 2S, а между двумя очень близкими уровнями энергии, на которые расщепляется основное состояние электрона в водороде (рис. 2) — это называется сверхтонким расщеплением уровня энергии. Эти два состояния обладают одинаковым электронным распределением, но в них по-разному ориентированы спины протона и электрона относительно друг друга. Состояние, когда спины противоположны и полный спин атома равен нулю, обладает чуть-чуть меньшей энергией, чем состояние, когда спины электрона и протона параллельны. Эта разница энергий очень маленькая, в миллион раз меньше расстояния до возбужденного уровня 2S, однако и она измерена с огромной точностью, лучше чем одна триллионная (10–12). Кстати, это расщепление очень важно для астрофизики — оно дает знаменитую радиолинию межзвездного водорода с длиной волны 21 см.

Рис. 2. Основное состояние атома водорода расщепляется на два близких уровня с разной взаимной ориентацией спинов протона и электрона (сверхтонкое расщепление)

Рис. 2. Основное состояние атома водорода расщепляется на два близких уровня с разной взаимной ориентацией спинов протона и электрона (сверхтонкое расщепление). Разница в их энергии примерно в миллион раз меньше энергии до ближайшего возбужденного состояния

Таким образом, для сверхточного измерения возможного CPT-нарушения от экспериментаторов требуется (1) создать антиводород, (2) зарегистрировать в нем сверхтонкое расщепление основного уровня, (3) измерить его величину с максимальной точностью и сравнить результат с данными по обычному водороду. Этой светлой цели посвящена большая программа экспериментальных исследований, которые проводятся в разных исследовательских центрах мира, и прежде всего в ЦЕРНе.

Изучение антиводорода: краткая история
 

Основные вехи в изучении антиматерии: от истоков квантовой теории, через открытие античастиц, в современных экспериментам в ЦЕРНе. Информация с сайта timeline.web.cern.ch

Вообще, античастицы (позитроны, антипротоны и т. д.) получать несложно: достаточно разогнать частицы до энергий в несколько ГэВ и направить этот поток на любую мишень. Тогда в столкновениях будет рождаться множество частиц, и иногда среди них будут встречаться частицы антивещества и даже антиядра. С помощью электрических или магнитных полей можно разделять частицы разного сорта, и таким образом можно получить поток антипротонов или позитронов. Всё это физики научились делать более полувека назад.

Получение атомов антиводорода — задача куда более сложная. Просто совмещать друг с другом потоки позитронов и антипротонов бесполезно. Энергии частиц велики, их концентрация, наоборот, мала, так что даже если антипротон и позитрон случайно столкнутся, они просто разлетятся и не образуют атом. Для получения атомов антивещества частицы требуется накопить, а потом охладить, то есть на несколько порядков уменьшить их скорости. Это сама по себе непростая задача, ведь антивещество не может долго находиться в контакте с обычной материей, а аннигилирует. (Впрочем, тут не стоит впадать в крайности: аннигиляция происходит вовсе не моментально, и если запустить позитрон в вещество, то он успеет прожить довольно бурную жизнь перед тем, как исчезнуть.)

Ну и наконец, даже если атомы антивещества получены, их еще требуется удержать и как-то зарегистрировать. Обычно их для этого удерживают в ловушках, стараясь избежать контакта со стенками. Но даже в условиях глубокого вакуума в ловушке всё равно летают молекулы обычного вещества, которые могут проаннигилировать с антиматерией, так что и эта задача оказывается совсем непростой. В общем, уже этот небольшой список очевидных трудностей наводит на мысль, что получение и тем более изучение антивещества — задача очень непростая в техническом плане.

Активную роль в изучении антиматерии играет ЦЕРН. Именно здесь на специальной установке LEAR в 1995 году были впервые получены атомы антиводорода. Антиматерия стала доступна для изучения, и в ЦЕРНе была развернута еще более обширная программа исследований антивещества. Сейчас там работает специальный антипротонный замедлитель AD, antiproton decelerator (да-да, в ЦЕРНе есть не только ускорители, но и замедлители!), который уменьшает энергию антипротонов до 5 МэВ и поставляет их в пять экспериментальных установок. В одной из них, ACE, антипротоны используются для развития антипротонной противораковой терапии, а в четырех остальных — для синтеза антиводорода и проведения различных экспериментов с ним. Так, в 2002 году два эксперимента, ATRAP и ATHENA, сообщили о создании антиводорода в количестве тысячи атомов, а совсем недавно, в 2011 году, коллаборация ALPHA смогла не просто получить антиводород, но и удерживала его в ловушке свыше 15 минут.

Подробнее о церновских экспериментах по производству антиводорода можно прочитать в цикле популярных рассказов «Сборка атома из рассыпных деталей», часть 1, часть 2, часть 2,5, часть 3.

Разумеется, все эти группы занимались не только производством антиводорода, но и изучением его свойств. В частности, коллаборация ALPHA впервые зарегистрировала сверхтонкое расщепление основного состояния в атоме антиводорода. Точность измерения была, конечно, очень низкой из-за малого количества атомов, но даже не в этом дело. Во всех этих экспериментах антиводород захватывается и изучается в магнитных ловушках. Но магнитное поле существенно влияет на структуру энергетических уровней атомов, причем не просто сдвигает, но и «размывает» их по энергии. Это всё ограничивает ту точность, на которую могут рассчитывать спектроскопические измерения антиводорода, а значит, резко уменьшает шансы обнаружить слабые отличия между спектром водорода и антиводорода, о которых мы говорили выше.

Именно преодоление этой «магнитной проблемы» является одной из главных целей коллаборации ASACUSA. Она не хочет ловить и удерживать антиатомы, она хочет измерять их на лету и без каких-либо магнитных полей. Это означает, что между местом производства антиводорода (где магнитные поля неизбежно присутствуют) и местом его изучения должна быть дистанция в несколько метров. Кроме того, поток антиводорода должен быть достаточно интенсивный, а его скорость мала, чтобы за время пролета антиатомов сквозь установку физики успели получить заметный сигнал от сверхтонкого расщепления.

Для выполнения этих задач коллаборация ASACUSA разработала, установила и отладила комбинацию из нескольких экспериментальных установок для удержания, замедления и объединения позитронов и антипротонов, а также для работы со сверхтонкими состояниями водорода и их детектирования. Последние несколько лет ASACUSA регулярно сообщала о промежуточных этапах работы, и вот сейчас им наконец-то удалось сделать первый важный шаг на пути к запланированному измерению — линия производства антиводорода заработала и готова к экспериментам.

Технология производства антиводорода в ASACUSA

Теперь полезно рассказать несколько слов про методику производства антиводорода в эксперименте ASACUSA. Общая схема экспериментального комплекса для измерения сверхтонкого расщепления в антиводороде показана на рис. 3. Она состоит из двух рукавов, по которым антипротоны и позитроны поступают в общую установку и объединяются там с образованием атомов антиводорода. Антипротоны производятся ЦЕРНом отдельно и поставляются в ASACUSA уже в предварительно охлажденном виде. Здесь они замедляются еще сильнее, захватываются в антипротонную ловушку и накапливаются там для дальнейшего использования. Позитроны получаются иначе — в результате распада радиоактивного изотопа 22Na. Они вылетают из распавшегося ядра с большой скоростью, и поэтому их тоже требуется охлаждать. Вначале они теряют свою энергию, проходя через «неоновый лед» — слой твердого неона, осажденный на стенки конической воронки вблизи источника. Несмотря на экзотично звучащее название, эта технология известна уже свыше 20 лет. Затем позитроны попадают в камеру с газовой смесью, замедляются еще больше, после чего их уже можно удерживать и накапливать в позитронной ловушке.

После того как будет набрано несколько миллионов антипротонов и позитронов, эти ловушки открываются, и оба облачка частиц поступают в единую камеру для объединения в атомы антиводорода. Даже этот процесс не так прост, как может показаться на первый взгляд. Оба облака частиц очень разрежены, и, несмотря на притяжение между позитронами и антипротонами, их столкновение с образованием связанного состояния происходит редко. К тому же антипротоны и позитроны, поступающие из своих ловушек, хоть и охлаждены, но всё равно движутся слишком быстро, и их требуется замедлить еще больше.

Рис. 3. Схема эксперимента ASACUSA (см. пояснения в тексте). Изображение из обсуждаемой статьи

Рис. 3. Схема эксперимента ASACUSA (см. пояснения в тексте). Изображение из обсуждаемой статьи

В эксперименте ASACUSA для решения этой задачи используется электростатическая ловушка необычного типа, придуманная несколько лет назад (рис. 4). Вообще говоря, антипротоны и позитроны имеют противоположные электрические заряды, поэтому их нельзя удержать в одном и том же электрическом поле. Однако можно сделать вот что. Вначале в центре ловушки создают электростатический потенциал двугорбой формы (рис. 4, слева) и помещают туда позитроны. Положительно заряженные позитроны «чувствуют» потенциальную яму в центре ловушки, ограниченную барьерами по бокам, поэтому они спокойно сидят внутри ловушки и ждут своей участи.

Если впустить отрицательно заряженные антипротоны в тот же самый потенциал, то они просто пролетят его насквозь, не задержавшись в центре — ведь для них повышенный потенциал означает понижение потенциальной энергии. Поэтому на втором этапе потенциал с одного края поднимают, что уменьшает потенциальную энергию антипротонов и позволяет впустить их с этого края (рис. 4, в центре). Двигаясь в этом уменьшающемся потенциале, антипротоны замедляются, так как их потенциальная энергия увеличивается. Их энергия подбирается с таким расчетом, чтобы они еле-еле смогли доползти до позитронного облака. Ловушка затем закрывается, и в ней оказываются пойманными два перекрывающихся облака античастиц (рис. 4, справа). В области их пересечения и образуются атомы антиводорода.

Рис. 4. Идея соединения позитронов и антипротонов для образования антиводорода в электростатической ловушке необычной формы

Рис. 4. Идея соединения позитронов и антипротонов для образования антиводорода в электростатической ловушке необычной формы. Большой электростатический потенциал означает большую потенциальную энергию для позитронов и маленькую — для антипротонов. Манипуляция с потенциалом и настройка энергии антипротонов позволяют эффективно объединить два облака частиц, и в области их пересечения происходит синтез антиводорода (см. пояснения в тексте). Стрелка показывает направление, с которого в ловушку впрыскиваются антипротоны

Дальнейший полет атомов антиводорода

Поскольку атомы нейтральны, электростатический потенциал уже не ограничивает их движение, и они свободно «вываливаются» из ловушки. В той же ловушке имеется и магнитное поле сложной формы, которое может разделять состояния антиводорода с разным спином, на которые расщепляется основной энергетический уровень (рис. 2). В результате на выходе из ловушки будет идти строго поляризованный поток атомов антиводорода (рис. 5).

Рис. 5. Исследовательский участок в установке ASACUSA

Рис. 5. Исследовательский участок в установке ASACUSA. Сложное магнитное поле внутри ловушки разделяет состояния с разным спином, так что на выходе получается поляризованный поток антиводорода. В микроволновом резонаторе при подходящей частоте происходят перекидывания между состояниями с разным спином, которые блокируются секступольным магнитом. Измеряя количество прошедших атомов в детекторе антиводорода, можно узнать эффективность процесса перекидывания и тем самым аккуратно измерить величину сверхтонкого расщепления. В описываемых экспериментах резонатор был пока выключен. Изображение с сайта asacusa.web.cern.ch

Такой антиводород можно транспортировать далеко, на расстояние в несколько метров от места получения. Магнитные поля в этом месте будут уже исключительно слабые, и они не будут мешать экспериментам по измерению сверхтонкого расщепления. Ну а само это измерение будет осуществляться стандартным для атомной физики способом. Атомы пролетают сквозь резонатор со слабым магнитным полем и со стоячей радиоволной. Когда частота волны совпадает с разностью частот между разными состояниями в сверхтонком расщеплении, начинается резонансный процесс перекидывания атомов из одного состояния в другое. Частоту радиоволны можно настраивать с очень высокой точностью, что позволит с такой же точностью измерять расщепление уровней. Оценки показывают, что относительная точность порядка 10–7 вполне достижима в эксперименте ASACUSA.

Это всё хорошо, но только это — дело будущего. Пока что коллаборация ASAGUSA хотела просто проверить, что образование антиводорода успешно идет. Для этого в конце инструментальной линии для изучения антиводорода были установлены детекторы на основе кристаллов ортогерманата висмута (Bi3Ge4O12, или, на жаргоне физиков, просто кристаллы BGO, стандартный материал для сцинтилляционных измерений в физике частиц). Эти кристаллы просто поглощали антиатомы, внутри них происходила аннигиляция антивещества с выделением энергии, и по вспышке света можно было измерить энергию атомов. Измерение энергии требовалось для того, чтобы отличить попадание настоящего атома антиводорода от посторонних событий. Количество событий было невелико, всего несколько десятков атомов за полтора часа, однако это кардинально отличалось от фона. Таким образом, антиводородный поток есть — эксперимент ASAGUSA официально заработал.

Это, конечно, только начало. На пути к полноценному измерению сверхтонкого расщепления в антиводороде коллаборации ASACUSA предстоит преодолеть еще несколько технических трудностей. Например, для уменьшения статистической погрешности надо существенно увеличить количество изготовленных атомов антиводорода. Другая, более сложная задача — научиться получать не просто атомы антиводорода, а атомы в основном энергетическом состоянии. Пока что зарегистрированный поток антиводорода состоит из атомов как в основном, так и в возбужденных состояниях, вплоть до сильно возбужденных уровней с главным квантовым числом n = 43. Экспериментаторам надо научиться перекидывать такие атомы в основное состояние, причем за достаточно короткое время. Но это общая трудность для всех экспериментов с антиводородом, ASACUSA тут не исключение. Тем не менее, поскольку технически сложный ключевой этап всей методики удалось успешно реализовать, можно надеяться, что реальные физические измерения уже не за горами.

Источник: N. Kuroda et al. (ASACUSA Collaboration). A source of antihydrogen for in-flight hyperfine spectroscopy // Nature Communications 5. Article number: 3089 (2014); статья находится в открытом доступе.

См. также:
1) CERN experiment produces first beam of antihydrogen atoms for hyperfine study, пресс-релиз ЦЕРНа.
2) Официальная страница экспериментального комплекса ASACUSA на сайте ЦЕРНа.
3) At the cusp in ASACUSA, популярная заметка в журнале CERN Courier.

Игорь Иванов


29
Показать комментарии (29)
Свернуть комментарии (29)

  • lеsnik  | 05.02.2014 | 01:56 Ответить
    Первый рубеж взят!
    Даёшь теперь антигелий!
    Ответить
  • petrenko  | 05.02.2014 | 14:45 Ответить
    Интересно, а есть ли какой-то смысл строить источник антипротонов на основе компактного e+/e- коллайдера небольшой энергии, вроде ВЭПП-2000 в Новосибирске? Или может даже фотонного колайдера (тогда позитроны не нужны). Я слышал, что на ВЭПП-2000 можно генерировать довольно много нейтронов, -- так много, что фон в пультовой становится слишком большой. Понятно, что в ЦЕРНе уже есть инфраструктура, и пучки протонов высокой энергии, но вообще, протонные ускорители обычно гораздо дороже электронных.
    Ответить
    • Игорь Иванов > petrenko | 05.02.2014 | 15:16 Ответить
      Вы имеете в виду какую схему получения антипротонов на e+e- коллайдере? Если в столкновении пучков, то сечение мизерное, да и собрать их затруднительно. Если пучок электронов по фиксированной мишени, то энергии недостаточно (порог рождения около 6 ГэВ) и тоже сечение маловато. Так что не очень понятно, зачем мучаться.

      Вообще, несколько-ГэВный источники протонов станут (видимо, скоро) вполне доступными и компактными благодаря лазерно-плазменным ускорителям.
      Ответить
      • petrenko > Игорь Иванов | 05.02.2014 | 15:20 Ответить
        Да-да, я имею в виду встречные пучки. Интересно, а какое именно сечение e+/e- в антипротоны и с какой минимальной энергией они рождаются? В церне ведь по сути считанные антипротоны получают в итоге. Спасибо!
        Ответить
        • PavelS > petrenko | 05.02.2014 | 15:42 Ответить
          Считанные атомы антиводорода. Это разное.
          Антипротоны там получают давно, взять хотя бы SPS, в котором они летали одно время встречным курсом с протонами.
          Ответить
          • petrenko > PavelS | 05.02.2014 | 16:56 Ответить
            Да, но относительно много получают только антипротонов высокой энергии (ГэВы). Основная проблема, как я понял, их потом замедлить до МэВ/кэВной энергии. Потери, видимо, на разных этапах замедления происходят. При аннигиляции e+ e- в адроны, энергия полученных антипротонов может быть уже сразу малой. ВЭПП-2000, например, в принципе выше 1 ГэВ на пучок не подымается, поэтому нуклон-антинуклонные пары там сразу с МэВными энергиями рождаются.
            Ответить
            • Игорь Иванов > petrenko | 05.02.2014 | 18:40 Ответить
              Антипротоны, рождающиеся в e+e- -> p-анти-p, будут все равно обладать кинетической энергией в сотню МэВ, и к тому же их надо собирать с большого угла. Сильно маленькую кинетическую энергию (т.е. рождение прямо над порогом p-анти-p делать невыгодно из-за очень маленького сечения). Но сотня МэВ — это еще очень горячие, охлаждать надо на порядок-два.

              А насчет количества, в Acasusa один впрыск антипротонов из AD — это несколько миллионов антипротонов. И это делается легко! Вы замучаетесь столько производить и собирать на e+e-. :)
              Ответить
              • petrenko > Игорь Иванов | 05.02.2014 | 19:08 Ответить
                Ясно, спасибо! Вообще, может и не такая уж бредовая идея, надо получше оценить когда-нибудь. Хоть пороговое сечение и маленькое, но светимость e+/e- коллайдера может быть очень высокая, поэтому в среднем скорость производства антипротонов может и выше получиться, чем в церновской схеме, где ~10^6 5-МэВных антипротонов получают за один импульс каждую минуту.
                Ответить
      • petrenko > Игорь Иванов | 05.02.2014 | 17:06 Ответить
        Даже если компактные источники ГэВных протонов и появятся, тогда все равно рождающиеся на стационарной мишени антипротоны придется захватывать в большие кольца, охлаждать и замедлять опять же в больших кольцах. Процесс e+ e- (или gamma-gamma) в нуклон-антинуклонные пары как раз по-моему единственный способ сделать относительно компактный (особенно если на лазерном ускорении) источник антипротонов низкой энергии.
        Ответить
        • Игорь Иванов > petrenko | 05.02.2014 | 18:43 Ответить
          Очень низкое сечение. Ведь антипротоны рождаются не готовенькие, вам неадо родить много квар-антикварковых пар, а потом убедиться, что все антикварки летят компактной группой в одном направлении. Вот тогда они вполне смогут спроецироваться на антипротон. Поэтому адронные процессы — самое то, там изначально рождается кварк-антикварковая каша, и дальше надо просто комбинировать большое количество рожденных антикварков в одно направление.
          Ответить
  • yuriT  | 05.02.2014 | 19:24 Ответить
    А, кстати, что можно сказать в этом плане насчет анти-мюония?
    Не может получиться так, что получать и производить спектрометрию мюония и анти-мюония окажется проще, чем для анти-водорода?
    Ну, и в принципе аналогичный вопрос можно поставить и в отношении мюонных атомов (где мюон заменяет электрон), хотя тут-то, наверное, особых преимуществ ожидать трудно.
    Ответить
    • Игорь Иванов > yuriT | 05.02.2014 | 19:40 Ответить
      Во-первых, давайте уточним. Тут есть термионлогическая тонкость, что называть мюонием, см. http://igorivanov.blogspot.com/2008/06/blog-post_24.html . Общепринято называть мюонием mu+e-. Антимюоний — это mu-e+. Вы в этом смысле имеете в виду?

      Во-вторых, в любом случае мюоний использует мюоны. Их время жизни микросекунда, и это сразу означает, что их надо впрыскивать в уже готовое плотное вещество. Если вы имели в виду мюоны с антипротонами, то мюоны в разреженное облако антипротонов просто не успеют сесть.
      Ответить
      • yuriT > Игорь Иванов | 05.02.2014 | 20:13 Ответить
        Да, речь о mu+e-/mu-e+.
        Т.е. насколько я понимаю, основная сложность - это успеть получить достаточное количество охлажденных мюонов до их распада. В остальном предложенная для антиводорода схема вроде бы вполне могла бы работать (потому как, хотя антипротоны и максимально охлаждены, но наверное время между их впрыском в камеру смешения и вылета на те самые пару метров как раз и составляет что-то порядка микросекунд?)
        Имеется в виду, что раз уж всерьез обсуждаются проекты мюонных коллайдеров - значит, по-настоящему массовое производство мюонов, вероятно, вскоре станет обычным явлением, и тогда, возможно, дешевизна их получения по сравнению с анти-протонами сможет скомпенсировать проблемы, связанные с их малым временем жизни.
        Ответить
        • Игорь Иванов > yuriT | 05.02.2014 | 20:32 Ответить
          Типичный цикл в ASACUSA — 15 минут, но это в основном потому, что надо накопить позитроны. Если у вас есть впрыскивание мюонов и протонов, то такого времени можно избежать. Но тогда другое ограничение — время рекомбинации частиц в нейтральные связанные состояния. В этой статье приведен график, показывающий, что основная рекомбинаця происходит на масштабе в десятки секунд. Это из-за того, что плотность облака мала, и частицам надо пожить какое-то время в общей ловушке, чтобы рекомбинировать.

          В мюонных коллайдерах как раз есть выгода в том, что если успеть мюоны очень быстро разогнать, скажем, до сотни ГэВ, то их время жизни вырастет в 1000 раз, до миллисекунды. А тут наоборот, нужно стараться охладить мюоны — никакого замедления распада не происходит, да и сам процесс медленный.
          Ответить
        • Игорь Иванов > yuriT | 05.02.2014 | 20:35 Ответить
          На самом деле, та же ASACUSA изучает еще и такую систему, как антипротонный гелий. Видимо, это тоже перспективная система и к тому же ее проще получать. Но тут из-за очень малого размера становятся важны эффекты сильного взаимодействия, которые трудно вычисляются и непонятно, что из них можно извлечь.
          Ответить
  • dims  | 06.02.2014 | 04:22 Ответить
    Если обнаружится, чт CPT нарушается, будет ли это означать, что есть какая-то ещё степень свободы X, которая даёт истинную симметрию CPTX? Если "да", то что это может быть за степень свободы? Можно ли её представить наглядно?
    Ответить
    • Игорь Иванов > dims | 06.02.2014 | 17:47 Ответить
      Честно говоря, не знаю про такое. Симметрия имеет право быть нарушенной, и не требуется все время достраивать ее до точной симметрии.

      Вообще, нарушение (пусть для простоты — нарушение изотропности пространства) записывается достаточно просто: вы постановляете, что в пространстве существует выделенное направление, которое привозит к взаимодействию частиц, зависящему от ориентации в пространстве. Такое нарушение получить самопроизвольно, с помощью некоторого пространтсвенного спонтанного нарушения изотропии в некотором векторном поле: было поле динамическое, и общая теория была изотропна, но потом поле упало в минимум потенциала и получилась неизотропная теория. Вот можно ли эту картину описать в тех терминах, которые вы предлагаете, я не знаю; в любом случае, это мне кажется не самым удобным описанием.
      Ответить
      • dims > Игорь Иванов | 06.02.2014 | 18:11 Ответить
        Ну да, мысленную картинку нарушения симметрии я имею: "поле" охлаждается и попадает во всякие потенциальные ямы, "замерзает" и получаются "снежинки"...

        Но, с другой стороны, CPT симметрия кажется весьма привлекательной, чтобы отказываться от неё "без боя"...
        Ответить
      • nicolaus > Игорь Иванов | 08.02.2014 | 08:53 Ответить
        «Честно говоря, не знаю про такое. Симметрия имеет право быть нарушенной, и не требуется все время достраивать ее до точной симметрии.»

        Идеи dims для меня понятны. Я думаю, что в целом симметрия не должна нарушатся. Это в частях симметрия должна быть нарушена, поскольку наш мир существует и сложно устроен. Это примерно как если вы написали уравнение устройства нашего мира. Для электрических зарядов это уравнение выглядит так: в одной части уравнения написан положительный заряд, а в другой, со знаком минус, отрицательный заряд. В общем целом правая и левая части уравнения по своей структуре не обязаны быть симметричными. Но общая симметрия (или равенство) должна соблюдаться.

        Как я понимаю, идея dims заключается в следующем: если мы обнаружили, что части уравнения не равны друг другу, значит мы что то не знаем, и для восстановления равенства к одной из частей мы вынуждены добавить довесок. Например, такой, как бозон хигса, для восстановления «равенства» между электромагнитным и слабым взаимодействиями. При этом то обстоятельство, что этот «довесок» в виде поля Хигса размазан по всему пространству, имеет глубокий смысл, как элемент соотношения между веществом и пространством, которые имеют общий генезис и предствляют собой в общем целом единый объект
        В случае нарушения СРТ симметрии этот довесок dims обозначил Х.

        По видимому, иллюзия, связанная с обязательным нарушением общей симметрии связана с игнорированием в общих уравнениях такого объекта как пространство. Предположительно, в начале нашего мира 3D пространства не было. Был хаос, например, такой, который частично наблюдается в микромире (соотношение неопределенностей). Из этого хаоса могло образоваться несколько (в минимальном варианте, два) пространства с немного разными свойствами (комплементарно дополняющих друг друга). При этом в отдельно взятом пространстве симметрия хаоса могла (и обязана) быть нарушена, иначе объектов в отдельно взятом пространстве (в нашей вселнной) не было бы. Это же идея является элементарно простой, почему ее не рассматривают?
        Ответить
        • Игорь Иванов > nicolaus | 08.02.2014 | 15:42 Ответить
          > Это же идея является элементарно простой, почему ее не рассматривают?

          Рассматривают много разновидностей этой идеи. Например, гипотеза зеркальной материи как раз такой пример. Только для физиков «рассматривать идею» означает построить хоть какую-то теорию, с формулами, расчетами и выводами, самосогласованную внутренне и хотя бы минимально согласующуюся с эксприментальными данными. Без этого, т.е. на уровне только словесного описания, никакой «идеи» нет — есть только научная фантастика.
          Ответить
          • nicolaus > Игорь Иванов | 08.02.2014 | 19:18 Ответить
            Игорь, про зеркальную материю я знаю. Моя гипотеза не сводится к зеркальной материи. Я же об этом писал (пост 2.12.2013 12:38 http://elementy.ru/news?discuss=432151). Речь не о частицах. Речь идет о двух вселенных с немого разными по свойствам пространствами. Зеркальная материя не согласуется с наблюдаемыми данными. Наличие второй вселенной можно косвенно подтвердить по данным Планка.

            Данная гипотеза, это альтернативное по отношению к зеркальной материи объяснение нарушению, по меньшей мере, «Р» симметрии исходя из очень простого объяснения – если оси координат в другом пространстве зеркальны осям координат в нашему пространстве, а нарушение «Р» симметрии противоположно нарушению в нашем пространстве, то общая симметрия восстанавливается. Здесь никакой особой математики не нужно.
            Все обясняется на уровне логики.

            Нарушение СР симметрии объясняется сродством вещества и антивещества к "своей" системе координат (прямой или зеркальной). Наше пространство, как подтверждают эксперименты, в больше степени имеет сродство к веществу. В той веселенной все должно быть наоборот, поскольку там обратная система координат.

            Этого сродства недостаточно, чтобы объяснить барионную асимметрию вселенной, однако может быть достаточно для разделения двух вселенных с преобладанием в одной вещества, а в другой антивещества в момент начала образования двух минимумом хигсовского потенциала. При этом антивещество может иметь сильно выраженное (как и вещество) нарушение «Р» симметрии (никто этого для антивещества не проверял), что также должно способствовать разделению вещества и антивещества. В полне возможно, что в момент разделения пространство было закручено, что могло способствовать разделению вещества и антивещества вдоль оси кручения.

            Помимо этого, пространства и вещество в этих вселенных могут находиться в двух разных вещественных минимумах хигсовского потенциала. Если у хигсовского потенциала есть второй вещественный минимум, то почему бы не быть второй вселенной. Хигсовский потенциал относится к слабому взаимодействию. Нарушение Р и СР симметрии наблюдается только при слабом взаимодействия. И с этой стороны все согласуется.

            Далее, если сложить пространства двух вселенных вместе, то исчезает, по меньшей мере, одно измерение нашего пространства. Поскольку, считается, что пространство сформировалось вместе с нашей вселенной, эта гипотеза объясняет, откуда взялись пространственные измерения и само пространство.

            Я думаю, что данная гипотеза, как и гипотеза зеркальной материи имеет право на существование. Математики конечно нет. Однако опровержения на концептуальном уровне также нет. Гипотеза может быть изложена она основе логики. Никто этого не запрещает.

            Игорь, Вы писали, что рассматривают много разновидностей этой идеи. Я бы хотел узнать об этих разновидностях, поскольку Вы так написали, помимо зеркальной материи.
            Ответить
  • samara  | 07.02.2014 | 01:21 Ответить
    Вспомнился фильм "Ангелы и демоны" и контейнер с антивеществом украденный из ЦЕРНа ))
    Ответить
    • Игорь Иванов > samara | 07.02.2014 | 15:54 Ответить
      Осторожно, получение антиводорода — технология двойного назначения! Не повторяйте эти эксперименты дома!
      Ответить
      • prometey21 > Игорь Иванов | 07.02.2014 | 16:26 Ответить
        Ценю Ваш юмор!
        Ответить
        • nicolaus > prometey21 | 08.02.2014 | 09:41 Ответить
          Это не юмор. Например, антиводород можно получать на ускорителе, который описан здесь http://elementy.ru/news/432097

          Установка для получения антиводорода могла состоять из непосредственно ускорителя, сепаратора частиц и античастиц, другого ускорителя (замедлителя) работающего на замедление античастиц, магнитной ловушки. (Замедлитель не обязательно должен быть линейным. Например, можно сделать 2D или 3D оптический «замедлитель», чтобы не мучатся с фокусированием того, что получилось при столкновениях частиц). И все это на одном чипе. Может быть за исключением магнитной ловушки, чтобы случайно чип не разнесло на части. :)
          Ответить
          • prometey21 > nicolaus | 08.02.2014 | 23:28 Ответить
            Даже такой способ получения антиводорода не реален в домашних условиях. Ускорители и лазеры дома "на коленке" не соберешь!!! Так что я настаиваю на том, что это юмор!
            Ответить
            • nicolaus > prometey21 | 09.02.2014 | 08:05 Ответить
              Центральный процессор, который в Вашем домашнем компьютере также на коленке не соберешь. Сейчас получение антивещества в домашних условия фантастика. В прочем, фантастика и не в домашних условиях, если в значительных количествах. Однако прогресс стремителен. Кто знает, что будет в будущем.

              Я немного анализировал технологию, которая описана в статье http://elementy.ru/news/432097. Этот анализ меня обнадежил. С точки зрения укорителя, как элемента для установки по производству антивещества все получается совсем неплохо. Ускоритель на основе диэлектрических структур, в том числе оптический, может иметь достаточно высокий коэффициент полезного действия. При этом для его работы может быть использован относительно маломощный лазер.

              Далее встают два вопроса. Первый вопрос, как из ускоренных частиц получить антиматерию с относительно высоким КПД. Второй вопрос, как поймать антиматерию и утилизировать кинетическую энергию разлетающихся частиц.

              По первому вопросу я пасс. Я прочитал лишь про технологию, когда поток заряженных частиц ударяется в мишень из золота, с образованием антивещества. Может кто подскажет какие методы еще существуют?

              По второму вопросу можно что ни будь придумать. Допустим, от мишени частицы вещества и антивещества разлетаются конусом, преимущественно в одну строну. В этой стороне можно установить ловушку в виде множества секторов диэлектрических структур для замедления частиц, приблизительно того же типа, что и в ускорителе. При этом, по теории, в процессе торможения должна увеличиваться мощность оптического излучения в резонанаторных элементах замедлителя. Энергию этого излучения можно обратно использовать для ускорителя.

              А далее совсем просто, необходимо лишь собрать холодные частицы антивещества после замедлителя.
              Ответить
  • dmitry.insta  | 13.02.2014 | 01:24 Ответить
    "знаменитую радиолинию межзвездного водорода с длиной волны 21 см."
    Прочитал по ссылке и сходил в wiki - отчего электрон вдруг менят спин? сам по себе или под внешним воздействием? спасибо
    Ответить
    • Игорь Иванов > dmitry.insta | 13.02.2014 | 02:27 Ответить
      Например, под действием внешнего поля или просто при поглощении фотона такой длины волны.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»