Германские физики представили убедительные доказательства того, что в проведённом ими опыте был зарегистрирован переворот спина отдельного протона.

Эксперимент выполнялся по довольно сложной методике, нацеленной на прямое измерение магнитного момента одиночного протона μ_р, равного 0,5•g_р•μ_N, где g_р обозначает так называемый g-фактор, а μ_N — константу, ядерный магнетон.

Самое точное значение g-фактора свободного протона — 5,585 694 706(56) — было «извлечено» теоретическими методами из результатов наблюдений за сверхтонким расщеплением уровней энергии в водороде, помещённом в магнитное поле. По мнению авторов, их способ позволит оценить величину gр с большей точностью, доходящей до одной миллиардной.

Опыт, заметим, подходит и для определения магнитного момента антипротона, имеющего пока точность до одной тысячной. Такое измерение будет даже более важным, чем новая оценка g_р, поскольку позволит проверить CPT-теорему — центральную теорему квантовой теории поля, согласно которой уравнения теории не должны изменять свой вид при зарядовом сопряжении (замены частиц античастицами), пространственной инверсии и обращении времени. Из CPT-теоремы, в частности, следует, что массы и времена жизни частицы и её античастицы равны, а их заряды и магнитные моменты различаются только знаком. Массы и заряды протона и антипротона физики уже сравнивали на высоком уровне точности, установив, что предсказания теории выполняются.

Рис. 1. Ловушка Пеннинга (фото Holger Kracke).

Рис. 2. Упрощённая схема ловушки. Протон осциллирует вдоль вертикальной оси, побуждаемый электрическими потенциалами, приложенными к электродам (+ и –). Сверхпроводящий соленоид, не показанный на рисунке, создаёт сильное магнитное поле В, а слабое радиочастотное поле Врч вызывает переворот спина. (Иллюстрация Alan Stonebraker).

Для того чтобы оценить g_р и зарегистрировать переворот спина, одиночный протон помещался в ловушку Пеннинга, где он может находиться чрезвычайно долго (несколько месяцев). Заряженная частица, попавшая в ловушку, удерживается в условиях сверхвысокого вакуума сильным магнитным полем, заставляющим протон двигаться по замысловатой траектории в горизонтальной плоскости, и электростатическим потенциалом, который принуждает протон осциллировать вдоль вертикальной оси. Определение g_р в такой схеме сводится к измерению частот ν₁ = е•В/(2•π•mр) и ν₂ = g_р•е•В/(4•π•m_р), каждая из которых, как видим, выражается через отношение заряда е и массы m_р протона и индукцию В магнитного поля в ловушке. По наблюдаемым в эксперименте частотам, характеризующим движение протона в горизонтальной и вертикальной плоскостях, легко рассчитывается величина ν₁, а ν₂, называемая ларморовской, равна частоте «дополнительного» слабого магнитного поля, вызывающего переворот спина.

Вообще говоря, подобная методика уже тестировалась на примере одиночного электрона, и сравнение электрона с позитроном показало, что CPT-теорема выполняется. Работать с протоном сложнее, поскольку он имеет намного (в 658 раз) более низкое значение магнитного момента.

Переворот спина исследователи обнаруживали по сдвигу частоты осевой осцилляции протона. Связь между двумя эффектами проявляется в том случае, если удерживающее частицу магнитное поле делают неоднородным, а потому в эксперименте было задано очень резкое изменение индукции (от 1,89 Тл на периферии до 1,17 Тл в центре ловушки). Расчётное изменение частоты, вызванное переворотом спина, всё равно оказалось незначительным: на фоне осцилляции с частотой в 674 кГц необходимо было отметить сдвиг в 0,19 Гц.

Отследить микроскопический сдвиг при однократном измерении авторам так и не удалось, но искомый сигнал всё же был выделен статистическими методами после обработки нескольких сотен экспериментальных циклов. Каждый такой цикл состоял из трёх замеров, выполненных при выключенном «дополнительном» поле, настройке последнего на частоту, примерно равную теоретической ларморовской (≈ 50,102 МГц), и уменьшении этой частоты на 100 кГц. Опытная величина ν₂ без труда определяется по графику, показанному ниже.

Хотя переворот спина и был зарегистрирован, точность измерения ларморовской частоты и g_р остаётся невысокой. Физики, впрочем, уже разработали проект модификации установки и усложнения экспериментальной методики, который решит эту проблему: спин протона нужно переориентировать в отдельной ловушке Пеннинга с однородным магнитным полем, после чего частица будет отправляться в соседнюю ловушку, предназначенную для наблюдений в неоднородном поле. В результате пик на графике должен стать более узким, а вместе с этим увеличится и точность.

Рис. 3. График, позволяющий оценить величину ларморовской частоты (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Результаты исследований опубликованы в статье:

S. Ulmer, C. C. Rodegheri, K. Blaum, H. Kracke, A. Mooser, W. Quint and J. Walz Observation of Spin Flips with a Single Trapped Proton. – Phys. Rev. Lett. 106, 253001 (2011) [4 pages]