Фізики з колаборації BASE в ЦЕРН впіймали у пастку Пеннінга протон і його античастинку антипротон, щоб виміряти їхні магнітні моменти. Їм вдалося покращити точність експериментів у 4,3 раза порівняно з попередніми, і тепер відомо, що відношення магнітних моментів протона і антипротона дорівнює одиниці з точністю у 16 частин на трильйон. На дослідження фізикам знадобилося півтора року, а результати опубліковані у журналі Nature.
Установка BASE / CERN
Навіщо нам антипротони?
З найбільшим успіхом частинки, з яких складається Всесвіт, описує Стандартна модель. Однак вона все ще не відповідає на безліч питань, які хвилюють фізиків щодо існування світу, зокрема, відкритим питанням залишається дисбаланс матерії і антиматерії. Це спонукає сотні вчених на експерименти з останньою, щоб перевірити її на вірність фундаментальним законам, яким слідує звичайна матерія.
Головною у нерівних стосунках матерії і антиматерії є часова, зарядова й парна симетрія (СРТ), а точніше - її порушення. Без нього частинок і античастинок була б однакова кількість і вони б просто анігілювали. Це явище не може пояснити ні Стандартна модель, ні загальна теорія відносності, а тому пояснення, куди поділася більшість антиматерії, лежить на експериментальних перевірках CPT-інваріантності, які на додачу є прямим способом відшукати фізику за межами Стандартної моделі.
Де ловлять антипротони?
Завдяки тому, що ця симетрія несе фундаментальний характер, її порушення можна пошукати у прямих експериментах з властивостями протонів і антипротонів. Так одним з експериментів є порівняння магнітних моментів частинок і античастинок. Якщо вченим вдасться відшукати відмінності, то і з'явиться можливість підтвердити чи спростувати теорії, які розширюють Стандартну модель.
На пошуку таких відмінностей зокрема зосередився і експеримент на базі CERN на ім'я BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment або «експеримент з вимірювання симетрії між баріонами і антибаріонами»). У його рамках фізики працюють з антипротонним уповільнювачем, який уповільнює античастинки, щоб над ними напряму можна було експериментувати. Антипротонний уповільнювач — це кільце, що складається з магнітів, які утримують антипротони їхньому шляху, у той час як сильні електричні поля уповільнюють їх. У рамках експерименту BASE ці протони ще і поміщують у кріогенну пастку Пеннінга, де охолодження до 4,8 кельвіна (-268,35 градуса Цельсія!) дає змогу зберігати частинки роками, що і дозволило фізикам з колаборації проводити експерименти протягом півтора року.
Антипротонний уповільнювач / CERN
Вчені взялися покращувати результат своїх попередніх експериментів зі значенням магнітних моментів протонів і антипротонів. Минулого разу порівняти ці параметри вдалося з точністю у 65 частин на трильйон. Цього разу точність складає 16 частин на трильйон — у 4,3 раза точніше підтвердження відсутності порушення CPT-теореми і найточніший на сьогодні прямий експеримент з CPT-інваріантністю і антибаріонами. Такого результату вдалося досягти, порівнюючи матерію і антиматерію в одній пастці.
Схема пастки Пеннінга, розроблена в проєкті BASE / CERN
Як помістити частинки і античастинки в одну пастку?
Одночасно працювати з двома частинками з різними знаками заряду складно і накладає доволі багато обмежень на точність експериментів. Том, щоб обійти цю суттєву перешкоду, фізики вирішили використати негативно заряджений іон водню. Він складається з двох електронів і одного протона, але є настільки добре вивченим, що скоригувати внесок електронів є тривіальною задачею для фізиків.
Таким чином зі своєю установкою і зібраними у ній частинками вчені провели понад 24 тисячі вимірювань протягом півтора року, які показали - магнітні моменти протона і антипротона відрізняються в 1.000000000003(16) раза. Завдяки використанню частинок з однаковим знаком заряду, отриманий результат позбавлений похибок від впливу від нестабільності магнітного поля пастки Пеннінга, у яку вони поміщені, а також від виходу за межі фізики, якою ми її знаємо.
А от магнітний момент мюона, навпаки, не вписався у рамки Стандартної моделі. Колаборація Muon g-2 у Фермілабі проаналізувала рух більш як восьми мільярдів мюонів та побачила розходження теорії з експериментом зі статистичною точністю у 4,2 сигми. Це вказує на взаємодію мюонів з частинками, які Стандартна модель не передбачила. Більше про Стандартну модель, а також про одну з теорій її розширення — суперсиметрію — ми розповідали у матеріалі «Суперфізика та надмеханізми».