Коллаборация ALPHA в ЦЕРН восьмикратно ускорила производство антиводорода охлаждением позитронов

Коллаборация ALPHA, работающая на Фабрике антивещества Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии, объявила 18 ноября 2025 года о значительном технологическом достижении в синтезе антиматерии. Ученые внедрили инновационный метод симпатического охлаждения позитронов с использованием облака лазерно-охлажденных ионов бериллия. Этот подход привел к восьмикратному увеличению скорости производства нейтральных атомов антиводорода, позволив генерировать более 15 000 атомов всего за несколько часов.

Ключевая задача в изучении антиматерии заключается в получении достаточного количества нейтральных атомов антиводорода для проведения точных спектроскопических измерений и проверки фундаментальных симметрий, таких как СРТ-симметрия, путем сравнения их спектров со спектрами водорода. Предыдущие методы, включая самоохлаждение позитронов в магнитном поле с последующим испарительным охлаждением, ограничивали температуру до 15 или 40 Кельвинов, что сдерживало эффективность слияния с антипротонами. Эксперимент ALPHA, использующий магнитные ловушки для удержания атомов с кинетической энергией ниже одного Кельвина, требовал предварительного охлаждения составляющих частиц.

Внедрение симпатического охлаждения позитронов до температуры ниже 10 Кельвинов с помощью лазерно-охлажденных ионов бериллия устранило узкое место в процессе синтеза. Инженерное решение предполагает помещение ионов бериллия, генерируемых, в частности, методом импульсной лазерной абляции, в ту же ловушку Пеннинга-Мальмберга, что и позитроны. Ионы обмениваются энергией с позитронами через кулоновское взаимодействие, эффективно снижая их кинетическую энергию. Это не только ускорило производство антиводорода, но и открыло перспективы для использования холодных ионов бериллия для точных измерений магнитных полей внутри ловушек ALPHA, что критически важно для будущих экспериментов, например, ALPHA-g по изучению гравитационного взаимодействия антиматерии.

Этот технологический скачок имеет глубокие научные последствия, напрямую связанные с барионной асимметрией Вселенной — преобладанием материи над антиматерией. Увеличение количества доступного антиводорода, которое ранее ограничивалось тысячами атомов за длительные периоды, теперь позволяет команде ALPHA проводить более детальные и быстрые исследования, снижая систематические ошибки в анализе спектров антиматерии. Предыдущие успехи ALPHA включали захват атомов антиматерии на время более 16 минут в июне 2011 года и публикацию в сентябре 2023 года данных, подтверждающих, что антиматерия взаимодействует с гравитацией аналогично обычной материи. Новое достижение значительно ускоряет темпы исследований, приближая ученых к пониманию фундаментальных свойств атомной антиматерии.