В ЦЕРН измерили энергию связи в антиядрах

Коллаборация ALICE, изучив ядра антивещества, родившиеся на Большом адронном коллайдере в столкновениях тяжелых ядер, измерила их массу и энергию связи с рекордной точностью. Это исследование, вместе с другими недавними экспериментами, наконец-то делает «антиядерную физику» доступной для аккуратных измерений. Результат работы опубликован в журнале Nature Physics и, как и все результаты LHC, находится в свободном доступе.

Современная физика говорит, что для каждого типа частиц существуют свои античастицы, — антипротоны, антинейтроны, позитроны и т.д., — и что их массы и другие общие свойства совпадают со свойствами частиц. И хотя мало кто в этом сомневается, как и всякое теоретическое предсказание, оно подлежит экспериментальной проверке. Пока что все эксперименты, в которых наблюдались античастицы, не противоречили этому утверждению. Но физики все равно ищут способы увеличить точность измерений и проверить его справедливость с учетом всё более тонких эффектов.

Что касается отдельных частиц антивещества, то здесь точность достигнута впечатляющая. Мы рассказывали, например, что в недавнем эксперименте BASE в ЦЕРНе совпадение масс протона и антипротона подтвердилось на уровне лучше одной десятимиллиардной. Но ситуация резко портится, когда речь идет об антиядрах, т.е. о ядрах антивещества, составленных из антипротонов и антинейтронов.

Причина в том, что получать и измерять антиядра намного труднее. Легчайшие антиядра, антидейтроны, впервые наблюдались ровно полвека назад. Антигелий-3 увидели в 1971 году. Антигелий-4 — уже совсем недавно, в 2011 году. Из-за этих сложностей до сих пор не удавалось толком начать изучение «антиядерных» сил, которые действуют между антипротонами и антинейтронами и связывают их в антиядра. Теоретики утверждают, что эти силы должны быть идентичными обычным ядерным, но, опять же, это утверждение нуждается в экспериментальной проверке.

В опубликованной на днях статье коллаборации ALICE, которая работает в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере, был сделан первый шаг в этом направлении. В течение первых трех лет работы коллайдер сталкивал не только протоны, но еще и ядра свинца. В каждом таком столкновении рождаются тысячи отдельных частиц (рис. 1). Среди них могут иногда встречаться антипротоны, антинейтроны, и, в исключительных случаях, их связанные состояния — антиядра. Разобраться в этой мешанине очень сложно, но детектор ALICE, специально заточенный под изучения ядерных столкновений, с этой задачей справляется уверенно. Он не только надежно регистрирует частицы разного типа, но и точно измеряет их импульсы и скорости, а значит, и массы.

Выдающиеся технические характеристики детектора вкупе с тщательным учетом всех погрешностей позволили ALICE измерить массы ядер антидейтерия и антигелия-3 с рекордной точностью. Результаты измерений представлены для величины Δμ_A= μ_A− μ_анти-A = (m/|z|)_A− (m/|z|)_анти-A, где z — это электрический заряд частицы, а A — это тип ядра:

Δμ_d/μ_d = (0,9 ± 0,5 ± 1,4)·10⁻⁴,
Δμ_He3/μ_He3 = (−1,2 ± 0,9 ± 1,0)·10⁻³.

(в каждом случае вторая цифра это статистическая погрешность, а третья систематическая, инструментальная погрешность).

Как видно, обе измеренных величины в пределах погрешности равны нулю, в согласии с теоретическими ожиданиями.

Высокая точность результата позволила физикам сделать следующий шаг — сравнить дефект масс для ядер и антиядер. Это прямая проверка того, меняются ядерные силы при переходе от ядер к антиядрам, ведь дефект массы возникает из-за энергии связи протонов и нейтронов в ядре. Результаты здесь оказались такими (см. также врез):

ΔE

/E

= −0,04 ± 0,05 ± 0,12,   ΔE

/E

= 0,24 ± 0,16 ± 0,18.

Опять же, всё пока указывает на то, что энергии связи изученных ядер и антиядер совпадают. Для антигелия-3 это вообще первое измерение энергии связи.

Пусть достигнутая точность не слишком впечатляет, тут важен общий вывод: физика антиядер постепенно переходит от простых наблюдений к точным измерениям. В двух церновских экспериментах BASE и ALICE, а также в недавнем исследовании коллаборацией STAR ядерных сил, действующих между антипротонами, фактически родилось новое направление исследований, которое можно условно назвать «антиядерная» физика.

Игорь Иванов