Единственный в мире источник антипротонов — ЦЕРН. Физики из Майнца хотят это изменить: их новая ловушка впервые захватывает оба компонента антиводорода

Команда исследователей из Майнца разработала радиочастотную ловушку Пауля нового типа, способную удерживать частицы с принципиально разными характеристиками. В первых экспериментах устройство успешно захватывало электроны и ионы кальция — аналоги позитронов и антипротонов — в рамках одной установки.

«Антиводород — своего рода Священный Грааль в исследованиях антиматерии. Его уникально простое строение — всего один антипротон и один позитрон — означает, что синтезировать антиводород сравнительно легко по сравнению с другими видами антиматерии», — рассказал Хендрик Беккер, старший научный сотрудник Института Гельмгольца в Майнце и один из авторов работы.

Проблема в том, что лёгкие частицы вроде позитронов требуют сверхбыстрых колебаний поля — в диапазоне гигагерц, тогда как тяжёлые частицы вроде антипротонов работают в мегагерцевом диапазоне. Традиционные ловушки Пауля работают на одной частоте, поэтому исследователям всегда приходилось выбирать что-то одно. Авторы новой работы отказались от компромисса и совместили оба режима в одном устройстве.

Конструкция состоит из трёх печатных плат, разделённых керамическими прокладками. Средний слой содержит резонатор на основе копланарного волновода, создающий высокочастотное поле для захвата электронов. Верхний и нижний слои несут электроды, генерирующие низкочастотное поле для ионов.

Для испытаний команда создавала заряженные частицы из нейтральных атомов кальция с помощью двухступенчатого лазерного процесса — с длинами волн 423 нм и 390 нм. Полученные частицы подавались в ловушку и удерживались от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Небольшая часть оставалась в ловушке даже спустя сотни миллисекунд. Однако удержать оба типа частиц одновременно пока не удаётся — главным образом из-за того, что электроны крайне чувствительны к низкочастотному полю, предназначенному для ионов. При увеличении амплитуды электроны покидают ловушку, тогда как ионы ведут себя совершенно независимо от высокочастотного поля.

К техническим трудностям добавляются и физические несовершенства: микронеровности поверхностей, незначительные смещения компонентов и паразитные электрические заряды дестабилизируют ловушку. Исследовательская группа уже работает над следующим поколением устройства — с более точными лазерно-обработанными деталями и улучшенной термической стабильностью.

Важность разработки выходит далеко за рамки лабораторного успеха. Сейчас антипротоны производятся исключительно на Фабрике антиматерии ЦЕРН, и доступ к ним имеет лишь ограниченный круг научных групп. Между тем один из авторов работы, Дмитрий Будкер, указывает: недавний эксперимент по перевозке антипротонов на грузовике показал, что доставлять частицы в удалённые лаборатории реально. Если новую ловушку удастся довести до рабочего состояния, учёные по всему миру смогут самостоятельно синтезировать антиводород — простейший атом антиматерии, состоящий из одного антипротона и одного позитрона.

Антиводород — один из наиболее чистых инструментов проверки фундаментальных законов физики. Атом практически зеркально повторяет обычный водород, что делает антиводород идеальным объектом для поиска ответа на один из главных вопросов науки: почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review A. Препринт доступен на arXiv.