Отличия магнитного момента протона и антипротона померили в девятом знаке
Эксперимент BASE по изучению антивещества уточнил величину g-фактора антипротона. Новое значение почти в 350 раз точнее предыдущего результата, полученного в январе этого года, и практически не отличается от значения g-фактора протона. Таким образом, отличие материи от антиматерии снова не было обнаружено. Статья опубликована в Nature.
g-фактор — это величина, показывающая, насколько магнитный момент частицы отличается от ее механического момента. Для классической частицы он равен одному, для частицы со спином ½ — двум (это следует из уравнения Дирака). Однако для реальных частиц он может принимать (и принимает) значения, отличные от целых чисел. Обнаружение и объяснение этих отличий в свое время сыграло важную роль в теоретической физике — например, за объяснение аномального магнитного момента электрона Швингер, Фейнман и Томонага получили в 1965 году Нобелевскую премию.
Аномальное значение g-фактора лептонов (на данный момент известны значения для электрона и мюона) обусловлено электрическим взаимодействием и хорошо согласуется с предсказаниями квантовой теории поля. Однако для адронов при расчете магнитного момента необходимо учитывать эффекты сильного взаимодействия, для которого вычисления выполнить сложнее (например, из-за отсутствия малого параметра), и для них теоретические значения отличаются от экспериментальных.
Это позволяет предположить, что магнитные моменты протона и антипротона могут отличаться. Такое отличие означало бы, что CPT-симметрия нарушается. Это помогло бы разработать «Новую физику» и объяснить расхождение в количестве материи и антиматерии, которое невозможно объяснить в рамках Стандартной модели.
В эксперименте ученые измеряли не сам g-фактор, а ларморовскую и циклотронную частоту антипротонов, из которых можно найти искомую величину g-фактора. Для этого они помещали частицы в ловушки Пеннинга и следили за их поведением во внешнем магнитном поле. В эксперименте использовались 16 антипротонов, полученных искусственно в 2015 году в CERN и хранившихся 405 дней до момента измерений в августе и декабре 2016.
Новый метод измерения магнитного момента использовал взаимодействие двух ловушек Пеннинга, в которых находились исследуемые антипротоны. Таким образом ученым удалось достичь большой однородности магнитного поля ловушки (флуктуации поля почти в 85000 раз меньше, чем у предыдущей модели ловушки) и исключить связанные с ней погрешности измерений. Также одна из ловушек сильно охлаждалась, поскольку для измерения ларморовской частоты необходима температура, не превышающая 0,2 кельвина.
Физики сравнили полученный g-фактор антипротона с аналогичной величиной для протона, измеренной даже с большей точностью (до 11 знака после запятой) в 2014 году. Полученные значения совпадают с точностью до 10-9, что в очередной раз свидетельствует об отсутствии отличия материи и антиматерии. Тем не менее, ученые не сдаются и планируют увеличить точность измерений в будущем.
В январе этого года мы писали о результатах предыдущего измерения магнитного момента антипротона, выполненного коллаборацией BASE.
Дмитрий Трунин
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.