Антипротонный гелий помог исключить нарушение фундаментальной симметрии

Международная коллаборация ASACUSA (CERN) опубликовала результаты исследования спектра антипротонного гелия. Вокруг обычного ядра гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, в этой частице вращается один электрон и один антипротон. По характерным энергиям переходов в атоме физики установили массу антипротона с точностью в сотни триллионных долей. Она оказалась равна измеренной массе обычного протона, что ограничивает возможность нарушения CPT-симметрии, одного из фундаментальных свойств Стандартной модели. По словам авторов, ключевым достижением работы стала усовершенствованная методика охлаждения частиц до 1,5-1,7 кельвина. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз CERN.

Современная модель элементарных частиц и взаимодействий между ними обладает специальными свойствами — следствиями симметрии нашей Вселенной (ее изотропности и однородности). Среди этих свойств — CPT (Charge-Parity-Time) симметрия или симметрия относительно одновременного изменения заряда, замены «право» на «лево» и обращения времени. Согласно ей частицы и античастицы (позитроны и электроны, протоны и антипротоны) почти не отличаются друг от друга: любой процесс в веществе, отраженный в зеркале и запущенный в обратном порядке будет протекать в точности так же, как и тот же процесс в антивеществе.

Следствием этой симметрии является то, что массы частиц и античастиц должны в точности совпадать. Любое минимальное отклонение от CPT-симметрии станет сигналом к пересмотру Стандартной модели и представлений физиков о Вселенной. Одной из экспериментальных проверок CPT-симметрии является точное измерение массы антипротона и ее сравнение с массой протона. Для этого физики ставят эксперименты по одновременному наблюдению за поведением частиц, а также изучают спектры сложных объектов, в состав которых входят антипротоны (например, системы антипротон-протон).

Интересной системой для измерения массы антиматерии является антипротонный гелий — частица, в которой один из двух электронов атома заменен на антипротон. Тонкая структура энергетических уровней — орбит, на которых может находиться антипротон — позволяет точно определить соотношение между массой частицы и массой электрона. Ее можно исследовать напрямую, следя за энергией фотонов, которые испускает или поглощает антипротон перемещаясь с орбитали на орбиталь. Выбор именно антипротонного гелия связан с необыкновенно большим временем его жизни. В то время как обычное взаимодействие антипротонов с веществом очень быстро приводит к аннигиляции, экзотический гелий может жить более полутора микросекунд.

Это связано с тем, что антипротон, захваченный гелием (при этом один из электронов оказывается «выбит»), находится изначально на «неудобной» для дальнейшего спуска к ядру орбитали. Кроме того, находясь между ядром и внешним электроном, античастица защищена от аннигиляции — электронное облако выступает в роли барьера от взаимодействий с окружающей материей.

Спектроскопические исследования антипротонного гелия в 2011 году позволили оценить отношение массы антипротона к массе электрона с высокой точностью. Однако физики отметили, что в эксперименте есть устранимый источник погрешности — высокая температура исследуемых частиц. Она приводит к тому, что атомы экзотического гелия двигаются с большими скоростями — это вносит доплеровское смещение в частоту испускаемого излучения. В результате пики, положение которых указывает на массу антипротона, оказываются уширенными.

В новой работе ученые нашли способ охладить антипротонный гелий до температур порядка 1,5-1,7 кельвина с помощью холодного буферного газа. Это позволило в разы увеличить точность определения энергии переходов в частице и увеличить точность измерения соотношения масс антипротона и электрона. В согласии с новыми данными масса антипротона в 1836,1526734±0,0000015 раза больше, чем масса электрона. Предыдущая работа имела точность в полтора раза хуже. Это ограничивает разницу между массами протона и антипротона на уровне менее половины миллиардной доли.

Антипротонный гелий физики получали прямым взаимодействием античастиц с гелием, охлаждаемым до 1,3 кельвина. Примерно три процента антипротонов, попадавших в ловушку с гелием, выбивали из атома электроны и образовывали требуемую частицу. Всего исследователям удалось получить около полутора миллиардов частиц антипротонного гелия-4 и полумиллиарда частиц антипротонного гелия-3.

Экзотические атомы используются для измерения не только массы, но и радиуса протона. Так, в 2010 году спектроскопия мюонного водорода (в котором электрон заменен на мюон) показала, что протон словно бы меняет свой радиус в зависимости от окружения. Этот эффект до сих пор не нашел объяснения, более того, недавно к загадке радиуса протона присоединилось ядро дейтерия.

Владимир Королёв