Аппарат лазерной физики антиводорода ( ALPHA ), также известный как AD-5 , представляет собой эксперимент в антипротонном замедлителе ЦЕРНа , разработанный для захвата антиводорода в магнитную ловушку с целью изучения его атомных спектров . Конечной целью эксперимента является проверка симметрии CPT путем сравнения соответствующих спектров водорода и антиводорода. [1] Ученые, принимающие участие в ALPHA, включают бывших участников эксперимента ATHENA (AD-1), первого, который получил холодный антиводород в 2002 году.
27 сентября 2023 года сотрудники ALPHA опубликовали результаты, свидетельствующие о том, что антиматерия взаимодействует с гравитацией подобно обычной материи, что подтверждает предсказание принципа слабой эквивалентности . [2] [3]
Работа с антиматерией представляет несколько экспериментальных проблем. Магнитные ловушки — в которых нейтральные атомы захватываются с помощью своих магнитных моментов — необходимы для того, чтобы удерживать антиматерию от аннигиляции с материей, но они , как известно, слабы. Только атомы с кинетической энергией, эквивалентной менее одного кельвина, могут быть захвачены. Проекты ATHENA и ATRAP (AD-2) производили антиводород путем слияния холодной плазмы позитронов и антипротонов . Хотя этот метод был довольно успешным, он создает атомы антиматерии с кинетической энергией, слишком большой для захвата. Более того, чтобы провести лазерную спектроскопию этих атомов антиматерии, они должны находиться в своем основном состоянии , что, по-видимому, не относится к большинству атомов антиматерии, созданных с помощью этой техники.
Антипротоны поступают из замедлителя антипротонов и «смешиваются» с позитронами из специально разработанного аккумулятора позитронов в универсальной ловушке Пеннинга . Центральная область, где происходит смешивание и, таким образом, образование антиводорода, окружена сверхпроводящим октупольным магнитом и двумя аксиально разделенными короткими соленоидными «зеркальными катушками», образуя магнитную ловушку «минимума- B ». После захвата антиводород можно подвергнуть изучению, а измерения сравнить с измерениями водорода.
Для обнаружения захваченного антиводорода ALPHA также включает в себя «кремниевый вершинный детектор»: цилиндрический детектор, состоящий из трех слоев кремниевых полосок. Каждая полоска действует как детектор для заряженных частиц, проходящих через нее. Регистрируя, как возбуждаются полоски, ALPHA может реконструировать следы частиц, проходящих через детектор. Когда антипротон аннигилирует, этот процесс обычно приводит к испусканию 3 или 4 заряженных пионов . Реконструируя их следы через детектор, можно определить место аннигиляции. Эти следы довольно сильно отличаются от следов космических лучей, также обнаруженных, но из-за их высокой энергии они проходят прямо через детектор.
Для подтверждения успешного захвата магнит ALPHA, создающий минимальное поле B, был разработан для обеспечения быстрого и многократного обесточивания. Характерная длительность спада тока при обесточивании составляет 9 мс, что на порядки быстрее, чем у аналогичных систем. Теоретически, высокая скорость выключения и способность подавлять ложные сигналы космических лучей позволяют ALPHA обнаруживать высвобождение отдельных атомов антиводорода при обесточивании.
Одной из главных проблем работы с антиводородом является его охлаждение, достаточное для того, чтобы иметь возможность его захватить. Антипротоны и позитроны нелегко охладить до криогенных температур , поэтому для этого ALPHA внедрила хорошо известную технику из атомной физики, известную как испарительное охлаждение . [4] Современные ловушки с минимальным B, такие как та, которую использует ALPHA, имеют глубину порядка 1 Кельвина.
Предварительный эксперимент, проведенный в 2013 году, показал, что гравитационная масса атомов антиводорода составляет от −65 до 110 раз больше их инертной массы , что оставляет значительные возможности для уточнения с использованием большего числа более холодных атомов антиводорода. [5]
ALPHA добилась успеха в лазерном охлаждении атомов антиводорода, известном как метод, который был впервые продемонстрирован на обычном веществе в 1978 году. [6] [7] [8]
27 сентября 2023 года группа ALPHA опубликовала статью, подтверждающую предсказание о том, что гравитационное взаимодействие антиматерии похоже на гравитационное взаимодействие обычной материи. Для того чтобы слабый принцип эквивалентности общей теории относительности был верным, требуется, чтобы два вещества демонстрировали идентичные гравитационные свойства. [2] [3] Результаты исключают «отталкивающую [антигравитацию]», как ранее предполагали некоторые специалисты в этой области.
Участниками проекта ALPHA являются следующие учреждения:
Запись для эксперимента ALPHA на INSPIRE-HEP