Новый сверхточный эксперимент не нашел отличия антипротонов от протонов

Эксперимент BASE по изучению антивещества измерил величину q/m, отношение заряда антипротона к его массе. Его сравнили с таким же отношением для протона, — и, с учетом знака заряда, два числа сошлись с рекордной точностью в 65 триллионных, что позволило еще сильнее ограничить некоторые экзотические теории. Результат опубликован в журнале Nature, статья находится в открытом доступе; краткий пресс-релиз, посвященый исследованию, появился на сайте ЦЕРНа.

У современной экспериментальной физики микромира есть поразительное свойство: изучая всего одну частицу, мы можем получить информацию об универсальных физических законах, работающих повсюду во вселенной. Так получается потому, что эксперименты с отдельными частицами очищены от огромного количества несущественной информации, присущей большим телам. В биологии, например, каждое животное, даже каждая живая клетка — уникальны. А в физике все протоны — абсолютно идентичны друг другу. То же касается и всех антипротонов. Вдобавок, современная, тысячекратно проверенная теория устройства микромира говорит, что все общие характеристики протонов и антипротонов, взятые по модулю, должны совпадать (это утверждение называется CPT-теоремой; вот ее популярное объяснение). Поэтому если эксперимент с одним-единственным антипротоном достоверно обнаружит его отличие от протона — это будет иметь кардинальные последствия для всей физики и для описания вселенной.

Нарушается ли CPT-теорема в нашем мире или нет — должно быть проверено экспериментально, путем измерения различных характеристик античастиц. Эксперименты по изучению антивещества достаточно сложны (см. подробности ниже), но, поскольку они потенциально способны привести к революционному открытию, игра стоит свеч.

Обширная программа по изучению антивещества ведется и в ЦЕРНе. Здесь есть сразу несколько экспериментов, работающих с антипротонами и антиводородом. Антипротоны им поставляет специальный ускоритель, а точнее, антипротонный замедлитель AD — любопытная установка, словно идущая против главного тренда физики частиц: она не ускоряет, а замедляет рожденные антипротоны до низких энергий. Антипротонный поток затем расходится по установкам и используется для различных измерений. Задачи варьируются от сугубо фундаментальных, таких как спектроскопия антиводорода в эксперименте ASACUSA или проверка того, как антиматерия чувствует гравитацию, и до совершенно прикладных, например, разработки антипротонной радиотерапии раковых опухолей в эксперименте ACE.

Установка BASE, чья статья была на днях опубликована в Nature, — из той же группы экспериментов. Ее название — это сокращение от Baryon Antibaryon Symmetry Experiment, «Эксперимент по измерению симметрии между барионами и антибарионами». Его главная задача — выполнить сверхточные измерения общих характеристик антипротона (заряда, массы, магнитного момента) и сравнить их результаты с протоном. Магнитный момент этот эксперимент будет измерять чуть попозже, а пока что коллектив отчитался о другой величине, отношении заряда к массе.

Даже в самой постановке задачи есть несколько тонкостей, про которые полезно рассказать. Во-первых, казалось бы, зачем надо измерять именно отношение q/m? Ведь можно измерить заряд и массу по отдельности, а потом поделить одно на другое. Это сделать можно, но только результат получится недостаточно точным. А вот отношение q/m измеряется совсем иначе, через циклотронную частоту вращения антипротонов в магнитном поле известной напряженности. Более того, в эксперименте измеряется не число q/m само по себе, а отношение

R = (q/m)_анти-p/(q/m)_p.

Вот именно для этой величины удается достичь огромной точности.

Во-вторых, для реализации этой схемы надо поместить протон и антипротон в одни и те же условия, в одну и ту же ловушку. Но это проблематично — ведь у них разные знаки заряда. Чтобы обойти эту проблему, в эксперименте BASE антипротон сравнивается не напрямую с протоном, а с отрицательным ионом водорода H⁻ (т.е. протон и два электрона). Конечно, ион H⁻ — это не чистый протон, у него другое отношение заряда к массе. Но физики исключительно точно знают, насколько оно отличается от (q/m) для протона — примерно в 1,001089218754 раза. Поэтому в эксперименте достаточно измерить (q/m)_анти-p/(q/m)_H⁻, поделить на это число, и получится искомое отношение R.

Устройство и типичный цикл работы установки BASE выглядят так (рис. 2). На вход (слева) подается сгусток медленных антипротонов из замедлителя AD. Они проходят через слоистую структуру, где замедляются еще больше, и попадают в магнитную ловушку. Навстречу им идет поток электронов, который окончательно охлаждает антипротоны. Всё это происходит в глубоком вакууме, где антипротоны хорошо изолированы от обычного вещества и могут, при необходимости, находиться там месяцами. Кроме того, антипротоны на входе в установку выбивают из слоистой структуры обычный водород, и часть их образует ионы H⁻.

В результате в ловушке оказывается небольшое, порядка сотни частиц, облачко из антипротонов и отрицательного водорода. Из этого облачка вытаскивают один антипротон и один ион H⁻ и помещают в разные места на оси установки. Оставшееся облачко не выбрасывают, а отводят на безопасное расстояние и «паркуют» его там на тот случай, если исходные частицы потеряются. Все эти операции выполняют специальные электроды, установленные вдоль ловушки.

Затем физики приступают к собственно измерению циклотронной частоты — сначала вдоль оси ловушки, а потом — в поперечной плоскости. Частота измеряется резонансным методом: радиочастотный источник электромагнитных колебаний сканирует область частот, и на частоте, равной циклотронной частоте частицы в ловушке, вдруг регистрируется отклик от ее движения. Эти измерения сначала выполняют с антипротоном; ион H⁻ при этом припаркован неподалеку, в трех сантиметрах от сцены действий. Затем антипротон перекидывают на свое парковочное место, а в измерительную часть ловушки переходит ион — и все измерения повторяются для него (см. рис. 3). Важно, что все измерения происходят в одних и тех же условиях; это позволяет устранить остаточную неопределенность величины магнитного поля. Весь этот цикл длится всего четыре минуты, что позволяет повторить измерения множество раз.

После того, как обе частоты измерены, физики делят одну на другую, а также учитывают поправочный множитель, связанный с переходом от иона водорода к чистому протону. Получается число, исключительно близкое к единице; его отличие в однократном эксперименте составляет всего несколько миллиардных. Но и это еще не всё. За месяц работы было выполнено свыше 6000 измерений, что позволило получить среднее значение с недостижимой ранее точностью:

R = 1 + (1 ± 69)·10⁻¹².

Иными словами, даже если величины q/m для протонов и антипротонов отличаются в реальности, это отличие не превышает одну десятимиллиардную. Если какие-то теории предсказывают большее различие — эти теории закрыты.

Полученные данные позволили также узнать, как антипротоны чувствуют гравитацию. Можно предположить, что сила земной тяжести действует на антивещество слегка иначе, чем на вещество, и тогда это должно привести к сдвигу измеренных частот для антипротона. Отсутствие этого сдвига в эксперименте означает, что сила тяжести действует на антипротон и на протон одинаково — по крайней мере, в пределах погрешности, которая для данной величины составляет около одной миллионной.

Игорь Иванов