Ультрахолодные нейтроны и антиматерия
Нейтронные эксперименты и опыты по измерению квантовых состояний водорода и антиводорода – в совместной работе сотрудников Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Международного института Лауэ – Ланжевена (ИЛЛ) в Гренобле.
Ультрахолодными называются нейтроны с крайне низкой эффективной температурой (порядка одной тысячной градуса Кельвина) и исключительно низкой энергией (порядка долей микроэлектронвольта). Среди уникальных свойств этих частиц – способность полностью отражаться от поверхности при любых углах падения. Благодаря этому их можно достаточно долго хранить в закрытых «ловушках», а также транспортировать по трубам (нейтроноводам), как газ или воду. Эта особенность ультрахолодных нейтронов (УХН) открыла для них множество применений в фундаментальной физике[1].
Особенно интересны гравитационные квантовые состояния УХН: они, в частности, должны помочь в поиске дополнительных короткодействующих фундаментальных взаимодействий. Об экспериментах по измерению квантовых состояний УХН недавно рассказывал автор пионерских работ по этой тематике Валерий Викторович Несвижевский – научный сотрудник ИЛЛ, ведущего мирового центра нейтронных исследований.
Квантовая гравитационная ловушка в ИЛЛ (изображение предоставлено В.В. Несвижевским)
Помимо нейтронов, в поиске дополнительных фундаментальных взаимодействий может помочь и водород. Исследования по этому направлению продолжатся в новом совместном проекте ИЛЛ и ФИАН, в котором опыт нейтронных экспериментов будет использован для аналогичных проектов с атомами водорода. Комментирует Валерий Викторович:
«Эти работы могут составить конкуренцию нейтронным экспериментам, поскольку водорода может быть гораздо больше, чем ультрахолодных нейтронов, этот "материал" намного доступнее. Главная трудность связана с тем, что, поскольку атомы водорода заряжены, там появляются лишние электромагнитные взаимодействия и ложные эффекты. Если эту проблему преодолеть, статистика в таких измерениях будет гораздо выше, чем в нейтронных экспериментах».
Лабораторные исследования с применением водорода помогут и в налаживании экспериментов с одним из главных героев современной физики – антиводородом. Создаваемая в ФИАН лаборатория в перспективе должна стать площадкой для измерения гравитационных квантовых состояний этого вещества. ФИАН является официальным участником проекта GBAR[2] в ЦЕРНе. В.В. Несвижевский:
«Одной из главных первоначальных мотиваций экспериментов с водородом было сделать прототип GBAR. Но по мере развития этой идеи, мы понимаем, что они имеют всё более независимый смысл и, может быть, даже больший, чем прототипирование экспериментов с антиводородом».
Помимо поиска фундаментальных взаимодействий, в новом проекте учёные хотят отработать технологию получения ультрахолодных атомов, нужных во многих экспериментальных направлениях – в частности, в спектроскопии водорода (ультрахолодные, «медленные» атомы повышают точность таких экспериментов). Как пояснил Валерий Викторович,
«Из большого числа разных атомов с помощью нашей установки мы выбираем те, что не могут высоко подпрыгнуть вверх, а левитируют над поверхностью и высоко подпрыгнуть не могут, у них нет вертикальной скорости. Так у нас появился простой, очень эффективный и дешёвый способ получить большое количество ультрахолодных атомов водорода».
О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»
_____________________________________
[1] В их числе – увеличение точности эксперимента по поиску электрического дипольного момента нейтрона (одного из возможных ключей для обнаружения так называемого нарушения СР-инвариантности, играющего важную роль в объяснении преобладания материи над антиматерией во Вселенной). Ещё одна задача, в решении которой помогли УХН, – измерение времени жизни и асимметрии распада нейтронов. Эта работа помогла сделать важные для Стандартной модели выводы и лучше описать процесс первичного нуклеосинтеза при формировании Вселенной. Сюда добавилось и измерение электрического заряда нейтрона, а также ряд других физических задач. К тексту
[2] GBAR – Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest («Гравитационное поведение антиводорода в покое») – проект по экспериментальному изучению гравитационных свойств антиматерии. К тексту
