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