Эксперимент BASE по изучению антивещества измерил величину магнитного момента антипротона. Его сравнили с таким же отношением для протона, — и, за исключением знака, два числа сошлись с рекордной точностью в 0,8 миллионных, что в 6 раз точнее предыдущего измерения, сделанного коллаборацией ATRAP. Таким образом, триумф теорий «Новой физики», которые предсказывают нарушение известной CPT-теоремы, пока что снова отменяется. Работа опубликована в журнале Nature Communications, краткий пресс-релиз доступен на сайте ЦЕРНа.

Один из нерешенных вопросов в современной физике — почему видимая нами Вселенная состоит в основном из материи, и содержит так мало антиматерии. Этот факт не может быть объяснен ни в рамках классической Стандартной модели, подразумевающей барионную симметрию, ни в рамках общей теории относительности. Получается, что исходя из Стандартной модели, частицы и античастицы должны были рождаться в равном количестве и аннигилировать друг с другом еще на ранних стадиях развития Вселенной. Однако по какой-то причине этого не произошло.

Существует несколько теорий и гипотез, которые пытаются объяснить так называемую барионную ассиметрию Вселенной в рамках расширенной Стандартной модели. Например, одна из них подразумевает нарушение CP-симметрии (Charge-Parity) для слабого взаимодействия — одного из четырех фундаментальных взаимодействий нашего мира, включающих также гравитационное, электромагнитное и сильное. Закон СР-симметрии утверждает, что уравнения физики остаются неизменными, если частицу в них заменить на античастицу, и при этом зеркально отразить пространственные координаты. Нарушение этого закона для слабого взаимодействия было доказано экспериментально. Однако оно служит причиной только малой части нарушений CP-симметрии, и само по себе не может стать объяснением наблюдаемого преобладания материи над антиматерией. Существуют и другие гипотезы, но пока что ни одна из них не была признана научным сообществом экспериментально доказанной.

Процесс настройки оборудования. Maximilien Brice/CERN
.[image]

Подходить к решению проблемы можно и с другой стороны — не приумножая теории, а экспериментально сравнивая свойства материи и антиматерии. Если ученые смогут найти существенное отличие в «зеркальных» характеристиках частиц и античастиц (то есть отличных по знаку, но равных по модулю), новым теориям хотя бы будет от чего «оттолкнуться». Более того, это приведет к необходимости создания совершенно «Новой физики», поскольку согласно современным представления все общие характеристики, например, протонов и антипротонов по абсолютной величине должны совпадать. Это утверждение называется CPT-теоремой (Charge-Parity-Time, популярно о ней можно прочесть здесь и здесь). И если нарушения СР-симметрии были доказаны, то для CPT-ассиметрии пока что нет никаких экспериментальных предпосылок. Следствия CPT-теоремы затрагивают как Стандартную модель, так и общую теорию относительности Эйнштейна. Поэтому нахождение любых отклонений от этого закона приведут к кардинальному изменению нашего понимания мира и устройства Вселенной.

Уровни точности для измерений свойств различных частиц. Красным показаны недавние эксперименты, синим – известные данные, зеленым – планируемые эксперименты. Некоторые из планируемых экспериментов, например, изучение спектра антиводорода, уже были проведены. CERN

При этом любой эксперимент, наоборот, подтверждающий «зеркальное»сходство параметров частиц и античастиц, поможет отбросить те теории, которые предсказывали их расхождение. Именно поиском сходств и различий материи и антиматерии и занимается эксперимент BASE в ЦЕРНе (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment или «Эксперимент по измерению симметрии между барионами и антибарионами»). Объектом интереса ученых данной коллаборации являются свойства антипротона — его заряд, масса и магнитный момент. Ранее BASE подтвердили неразличимость такой величины как отношение заряда к массе для протона и антипротона с рекордной точностью в 65 триллионных.В новой работе авторы уточнили значение магнитного момента антипротона до 0,8 миллионных,улучшив предыдущий рекорд эксперимента ATRAP в шесть раз. Каждое такое увеличение точности может «отправить на свалку истории» либо Стандартную модель, либо одну или несколько теорий Новой физики.

Схема установки BASE. Слева поступают антипротоны, справа — электроны, в центре — магнитная ловушка с несколькими отделениями для экспериментов и работы с частицами.H. Nagahama et al./ Nature Communications, 2017

Строго говоря, в новом эксперименте ученые уточняли не сам магнитный момент, а величину, входящую в состав формулы для его расчета —так называемый g-фактор, который является безразмерным отношением магнитного момента к механическому.Другие величины, входящие в эту формулу, — это фундаментальные константы и собственный момент импульса частицы, или спин, который обладает строго определенны мзначением. Чаще всего в эксперименте удобнее всего измерять именно величину g-фактора, а не сам магнитный момент.

Антипротоны для таких экспериментов как BASE поставляет специальная установка — антипротонный замедлитель (Antiproton Decelerator, AD). Она не ускоряет, а замедляет рожденные в ходе работы одного из синхротронов системы инжекции Большого адронного коллайдера антипротоны до низких энергий. В устройстве BASE есть специальная магнитная ловушка, которая может накапливать антипротоны из замедлителя и хранить их там достаточно долгое время. В результате последней модификации магнитной ловушки, срок «хранения»антивещества в ней увеличился до 1,2 года. При необходимости частицы извлекаются из ловушки, чаще всего поодиночке и «транспортируются» в ту часть установки, в которую необходимо, например, чтобы произвести измерение. Более подробно об устройстве установки BASE можно прочитать здесь.

Чтобы улучшить результаты предыдущего эксперимента, авторы провели апгрейд установки и понизили температуру измеряемых антипротонов с 4,2 до 1,1кельвина (примерно минус 272°С). Используя новые возможности BASE, с 20 февраля по 5 марта2016 года ученые провели 6 индивидуальных измерений g-фактора антипротона. Затем они рассчитали погрешности каждого измерения и вывели среднее значение g-фактора с учетом этих погрешностей — gantiproton/2=2.7928465(23).С точностью до 0,8 миллионных он оказался равен аналогичному значению для протона. Таким образом, нарушить CPT-симметрию снова не удалось. Если какая-то из теорий Новой физики предсказывала ассиметрию с таким порядком точности, она «выбывает из игры».

Результаты эксперимента BASE по измерению g-фактора антипротона. Шесть точек с погрешностями соответствуют шести отдельным измерениям. Зеленые линии ограничивают область с 95% уровнем достоверности, красная линия соответствует антипротону, синяя – протону. H. Nagahama et al./ Nature Communications, 2017

Исследованием антиматерии в ЦЕРН занимается сразу несколько коллабораций. Так, недавно об измерениях соотношения массы антипротона к электрону сообщила другая коллаборация ЦЕРН — ASACUSA. Она же пытается получить сверхточный спектр антипротонного гелия. Коллаборация ALPHA изучает оптический спектр антиводорода, а на исследованием магнитного момента антипротона занимаются сразу две группы — BASE и ATRAP. В дальнейших планах работы коллаборации BASE — увеличить точность измерения магнитного момента в 200 или даже 800 раз по сравнению с вышеописанным экспериментом. Для этого ученые разрабатывают принципиально новое устройство магнитной ловушки для изучаемых частиц.

Автор: Екатерина Митрофанова