Новости науки | ||||||
06.10.03. Протон и антипротон: похожие или одинаковые? | ||||||
В рамках современных физических представлений протон и антипротон (то
же справедливо и для других пар частица-античастица) имеют в точности равные массы, а величины их
электрических зарядов отличаются только знаком. Но так ли это на самом деле? Проведенные в ЦЕРНе
измерения позволили ученым из Японии и Венгрии установить новый предел на возможное отличие
массы и заряда протона и антипротона.
В настоящее время частицы и античастицы считаются эквивалентными сущностями: предполагается,
что если заменить все частицы на античастицы, вместе с тем проведя операции пространственной
инверсии и обращение времени, то никаких изменений в характере протекания физических процессов не
произойдет (CPT-инвариантность), т.е., грубо говоря, никто ничего не заметит. В реальности проводить
зарядовое сопряжение и обращать время никто, конечно, не умеет, но это делать и не нужно. Помимо
всегда имеющейся в нашем распоряжении материи, состоящей из обычных частиц, ученые в настоящее
время умеют создавать и достаточно большие количества антиматерии (см. нашу заметку " Много холодного антиводорода в ЦЕРНе".
Сравнение энергетического спектра атома антиводорода, состоящего из антипротона и позитрона, и
обычного атома водорода, состоящего из протона и электрона, дает возможность найти (или - не найти)
различия в свойствах антиматериии материи, т.е. поставить под сомнение основополагающие физические
теории или подтвердить их правоту.
Сравнение спектров атомов водорода и антиводорода, конечно, не единственный путь проверки
эквивалентности частиц и античастиц. В том же ЦЕРНе с использованием того же уникального
Антипротонного Замедлителя, позволяющего на выходе получать пучки антипротонов с энергией 5.3
МэВ, в последние годы идут эксперименты по измерению частот спектральных переходов атомов
p-He+ (этот атом состоит из альфа-частицы (ядра атома гелия), электрона и
антипротона). Недавно японские и венгерские ученые, усовершенствовав установку, смогли получить
новое ограничение на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона [1].
В более ранних экспериментах антипротоны с энергией 5.3 МэВ замедлялись в криогенной гелиевой
мишени с плотностью атомов гелия 1021 см-3. Столь высокая плотность, нужная
для торможения антипротонов, приводила к некоторому смещению частот спектральных переходов
атомов p-He+ за счет столкновений с атомами гелия. Теперь же ученые
усовершенствовали включив в состав экспериментальной установки (рис.1) радиочастотный
квадрупольный замедлитель (RFQD), позволяющий замедлить часть проходящих через него
антипротонов (примерно 30 %) до энергии порядка 100 кэВ. Это позволило уменьшить плотность газа в
камере-мишени на четыре порядка, в результате чего сдвиг частот переходов стал пренебрежимо мал по
сравнению с естетственной шириной линий.
Пучок низкоэнергетичных (менее 120 кэВ) антипротонов, отклоненный от общей траектории,
попадал в камеру с гелием, поддерживаемым при температуре менее 30 К. В камере образовывались
атомы p-He+, обладающие достаточно большим (микросекундного диапазона)
временем жизни (формирующиеся атомы находятся в возбужденном состоянии с большими значениями
квантовых чисел n и l (главного и орбитального)). Исследователи использовали резонансное возбуждение
лазером на красителях тех переходов, при которых антипротон из метастабильного состояния переходит
в состояние с малым временем жизни (за счет передачи энергии электрону (покидающем атом)
антипротон быстро уходит из такого состояния, а в образовавшемся ионе p-He2+
очень быстро происходит аннигиляция протона и антипротона). Рождавшиеся при аннигиляции протонов
и антипротонов пионы регистрировались черенковскими детекторами, что давало ученым возможность
наблюдать вызванный лазерным импульсом "всплеск" аннигиляции (рис.2).
Немного меняя частоту лазера, исследователи могли не только фиксировать частоту перехода по
наблюдению пика в спектрах аннигиляции, но и "прописывать" форму линии перехода. Проведя
эксперименты с различными изотопами гелия (4He и 3He) в рабочей камере,
ученые смогли определить с высокой точностью частоты 13 переходов (рис.3). Сравнивая
экспериментально измеренные частоты переходов с теоретически предсказанными, и, зная измеренную с
высокой точностью циклотронную частоту антипротона, они установили новый предел на возможное
отличие массы и заряда протона и антипротона - 10-8, что в шесть раз лучше предыдущего
результата. Чтобы двигаться дальше, нужно будет не только повысить точность экспериментального
определения частот переходов, но и научиться их более точно рассчитывать.
1. M.Hori, J.Eades, R.S.Hayano et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 123401 (2003).
| ||||||
|