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
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.