Антивещество подтвердило фундаментальный закон природы

На замедлителе антипротонов в международном европейском научном центре ЦЕРН впервые удалось зафиксировать оптический спектр антиводорода и измерить энергию, при которой он переходит из основного в первое возбуждённое состояние. Данные подтвердили CPT-симметрию, идентичность ряда параметров частиц обычного вещества и антивещества. Соответствующая статья опубликована в Nature.

Чтобы замерить параметры частиц антивещества в магнитной ловушке, сперва были накоплены десятки тысяч антипротонов и антиэлектронов. Затем из них образовались атомы антиводорода — антипротон плюс антиэлектрон. Чтобы получить точные параметры антиэлектронов, применяли двухфотонную спектроскопию захваченных в ловушку частиц. Давая антиэлектрону поглотить по паре фотонов, учёные фиксировали, при какой энергии каждого фотона из этой пары антиэлектрон переходит из основного состояния в возбуждённое. Как оказалось, эта величина равна той же, что давно измерена для обычного атома водорода.

Речь идёт о чрезвычайно значимом результате. Современная физика во многом основана на представлении о так называемой CPT-симметрии. В рамках этой концепции заряд и иные параметры частицы и античастицы должны быть равны, хотя при контакте они аннигилируют с выделением огромного количества энергии. Нарушается ли CPT-симметрия или нет — вопрос чрезвычайно важный для понимания природы Вселенной.

Кроме того, непонятно, как так получилось, что античастицы и частицы имеют равные параметры, но античастиц в природе практически нет, а "обычных" частиц много. Если бы те и другие имели совершенно одинаковые параметры, то возникли бы в равных объёмах. Тогда никаких твёрдых веществ во Вселенной не было бы, потому что античастицы проаннигилировали бы с частицами со взрывом, и кроме фотонов ничего бы не осталось.

Судя по существованию окружающих галактик и самих людей, что-то в этой схеме пошло не так, и реакции для вещества и антивещества в чём-то различались. Из-за этого и по ряду других причин часть учёных рассчитывала обнаружить расхождения в параметрах водорода и антиводорода. Если параметры этих частиц слегка разные, то реакции распада для них могли идти с разной скоростью, что объяснило бы численное доминирование вещества над антивеществом. Новая работа показывает, что CPT-симметрия, напротив, сохраняется. Поэтому решения связанных с антивеществом загадок современной физики следует искать в чём-то ещё.

CPT (Charge-Parity-Time) симметрия — фундаментальная симметрия физических законов. Она заключается в том, что при преобразованиях, в которых меняются заряд, чётность и направление протекания времени, свойства частиц не меняются. А значит, любой процесс в обычном веществе будет в точности повторяться, если запустить его в антивеществе в обратном порядке. Из этого следует, что почти все свойства частиц вещества и антивещества, в том числе и их энергетические спектры, должны совпадать.