Физики уточнили одинаковость магнитных моментов протона и антипротона

Физики из коллаборации BASE наложили более строгие ограничения на отношение магнитных моментов протона и антипротона. Согласно их результатам оно равно единице с точностью в 16 триллионных долей. Кроме того, ученые сузили возможность нарушения антиматерией слабого принципа эквивалентности гравитации и инерции. Исследование опубликовано в Nature.

Одной из самых больших загадок современной физики остается вопрос баланса между материей и антиматерией во Вселенной. В ее основе лежит противоречие между тем, что Стандартная модель подчиняется CPT-симметрии (то есть симметрии относительно смены заряда, четности и инверсии времени), и наблюдаемым в физике и астрономии преобладанием материи над антиматерией. Для разрешения этой проблемы было предложено множество расширений Стандартной модели. Чтобы их отсеивать и уточнять, физики регулярно сравнивают материю и антиматерию в лабораторных условиях.

Поскольку CPT-симметрия имеет максимально всеобщий характер, ученые ищут ее нарушения в самых различных процессах с разными типами частиц. Речь идет, например, о лэмбовском сдвиге атомов и антиатомов, распаде электрон-позитронной связанной системы, а также измерении магнитных моментов протона и антипротона. В последнем случае эксперимент лучше всего проводить сразу для обеих частиц одновременно, чтобы исключить систематические погрешности. Таким путем физики убедились в равенстве магнитных моментов протона и антипротона с точностью в одиннадцатом знаке после запятой.

Теперь та же самая группа физиков, а именно коллаборация BASE, чья установка расположена в ЦЕРН, улучшила этот результат в 4,3 раза и показала, что отношение магнитных моментов протона и антипротона равно единице с точностью в 16 триллионных долей. Результат эксперимента позволил также ограничить гипотетические взаимодействия, нарушающие слабый принцип эквивалентности гравитации и инерции для антиматерии, в седьмом знаке после запятой.

При увеличении точности эксперимента важно исключать систематические ошибки. При измерении магнитного момента в такие ошибки вносит вклад нестабильность магнитного поля ловушки Пеннинга, в которые помещаются частицы. Чтобы его нивелировать, авторы измеряли моменты у частиц и античастиц, находящихся в одной и той же ловушке в одинаковых условиях.

При этом возникает трудность, связанная с тем, что у протона и его античастицы разные знаки заряда, следовательно, их невозможно удерживать в одной и той же ловушке. Физики обошли эту проблему, сравнивая антипротон с отрицательным ионом водорода H⁻. Несмотря на наличие двух электронов, ион прекрасно подходит для такого эксперимента, поскольку отношение его магнитного момента к магнитному моменту протона известно с точностью в 14 знаке после запятой. Это позволяет вычислить отношение магнитных моментов протона и антипротона, измерив его для пары антипротон-H⁻.

Для реализации этой идеи физики использовали ту же самую установку, что и в предыдущем опыте. Она состоит из магнитной ловушки, охлажденной до 4,8 кельвин, в которой собираются медленные антипротоны, выходящие из антипротонного замедлителя, и ионы. Облако отрицательных частиц может храниться в такой ловушке годами. Авторы выделяли из него по одной частице каждого сорта и производили над ними поочередные челночные измерения циклотронной частоты вращения с помощью радиочастот. По сравнению с предыдущими экспериментами установка получила множество модификаций, в частности, улучшение криогенной системы и системы магнитного экранирования. Физики провели с ее помощью 24187 измерений с декабря 2017 года по май 2019. Это позволило им определить, что магнитные моменты протона и антипротона отличаются в 1.000000000003(16) раз.

Авторы также решили выяснить применимость слабого принципа эквивалентности гравитации и инерции для антипротона. Они использовали для этого теорию Хьюза — Хольцшайтера, в рамках которой описывается то, как гипотетическое нарушение этого принципа для антиматерии должно повлиять на циклотронную частоту античастицы. В результате физики наложили ограничение на соответствующую константу, равное 1,8×10⁻⁷. Кроме того, большая длительность эксперимента позволила ограничить возможное аномальное поведение антипротона, вызванное разницей гравитационного потенциала в разных точках орбиты Земли, вращающейся вокруг Солнца.

В качестве одного из путей уменьшения экспериментальных погрешностей авторы рассматривают возможность транспортировки антиматерии на грузовиках в менее шумные лаборатории. Для этих целей в ЦЕРН разрабатывается проект BASE- STEP, про который мы недавно писали.

Марат Хамадеев