Новий погляд у серце матерії
Дослідники з колаборації AEgIS протестували інноваційний метод занурення в саме серце атомів. Це первинне дослідження (proof-of-principle), опубліковане у журналі Physical Review Research, демонструє, як антипротони — двійники протонів із антиматерії — можна використовувати для зондування зовнішніх меж широкого спектра атомних ядер. Завдяки нещодавній першій у світі демонстрації транспортування антипротонів, проведеній у CERN, ця техніка може стати доступною для багатьох лабораторій по всій Європі.
Що таке «нейтронна шкіра» та до чого тут космос?
Детальне розуміння того, як саме протони та нейтрони розташовуються всередині ядра, здатне дати вченим глибше уявлення про сильну ядерну взаємодію — фундаментальну силу, яка утримує ці частинки разом. Крім того, це дослідження може пролити світло на внутрішню структуру нейтронних зірок — надзвичайно щільних астрономічних об’єктів, що залишаються після вибухів масивних зірок як наднові. Наперекір назві, надра нейтронної зірки складаються не лише з нейтронів, але досі залишаються загадкою, тому дослідники вважають їх ідеальним природним випробувальним полігоном для фундаментальної фізики.
Попередні експерименти з вивчення структури ядер виявили, що в багатьох хімічних елементах навколо периферії ядра зосереджено більше нейтронів, ніж протонів. Цю унікальну особливість фізики називають «нейтронною шкірою» (neutron skin). Вимірювання її товщини є надзвичайно складним завданням через мікроскопічні масштаби — вона становить лише частку фемтометра (що дорівнює квадрильйонній частині метра або 10−15 м). Останні вимірювання цього явища дали результати, які настільки сильно розрізняються між собою, що їх неможливо точно пояснити існуючими теоретичними моделями. Це змусило фізиків шукати принципово нові методи вимірювання.
Таємниця «холодної анігіляції»
Особливо чутливим зондом для таких досліджень виявився антипротон. Коли він наближається до ядра, то може анігілювати з одним із протонів або нейтронів на самому краю цього ядра. У більшості випадків енергії, що виділяється внаслідок такої взаємодії, достатньо, щоб повністю розірвати атомне ядро на шматки. Однак приблизно у 10–20% випадків ядра унікальним чином уникають повного руйнування. Цей процес отримав назву «холодна анігіляція» (cold annihilation).
Вивчаючи ядра, що вціліли після холодної анігіляції, вчені можуть визначити, яку саме частинку було втрачено — протон чи нейтрон. Співвідношення втрачених частинок показує точну пропорцію нейтронів і протонів безпосередньо у місці анігіляції. Якщо поєднати ці дані з рентгенівськими вимірюваннями, які фіксують відстань антипротона від центра ядра в момент взаємодії, дослідники отримують можливість обчислити точну товщину нейтронної шкіри.
Прорив колаборації AEgIS: Час-пролітна спектрометрія
У минулих експериментах залишки ядер після холодної анігіляції ідентифікували виключно за їхнім радіоактивним розпадом. Проте такий підхід обмежував коло досліджень, оскільки значна кількість ядер після взаємодії з антипротоном стає стабільною і не зазнає радіоактивного розпаду, залишаючись «невидимою» для приладів.
Щоб вирішити цю проблему, колаборація AEgIS розробила нову методику, яка дозволяє фіксувати абсолютно всі типи ядер (включаючи нерадіоактивні) за допомогою час-пролітної мас-спектрометрії (time-of-flight spectrometry). Метод базується на тому, що антипротон на шляху до анігіляції буквально «здирає» велику кількість електронів, які обертаються навколо ядра. В результаті утворюється високозаряджений іон (highly charged ion, HCI), в центрі якого міститься шукане ядро. Ці іони вловлюються спеціальними електромагнітними пастками експерименту AEgIS.
Під час останніх випробувань фізики успішно протестували методику на атомах аргону та гелію. Їм вдалося продемонструвати базовий алгоритм захоплення та аналізу іонів у пастці антиматерії. Такий технологічний стрибок став можливим лише зараз завдяки Фабриці антиматерії CERN (Antimatter Factory), де мільйони антипротонів створюються та надійно утримуються у складних магнітних пастках за лічені хвилини.
Майбутнє ядерних досліджень
Майбутні експерименти з використанням цієї технології відкриють нові горизонти у вивченні зовнішніх меж атомів, гармонійно доповнюючи дані, які планується отримати в межах майбутнього експерименту CERN під назвою PUMA.
«Наше дослідження закладає надійний фундамент для захоплення та безпосереднього вивчення високозаряджених іонів, що залишаються після холодної анігіляції антипротонів, для набагато ширшого спектра елементів», — підсумовує Фредрік Парнефьорд Густафссон (Fredrik Parnefjord Gustafsson), провідний автор експерименту. — «Ми сподіваємося, що цей новий метод у поєднанні з мобільними портативними пастками для антиматерії дозволить як великим науковим центрам, так і малим лабораторіям використовувати антипротони як потужний повсякденний інструмент для передових ядерних досліджень».