Na saite Astrometriya Astronomicheskie instrumenty Astronomicheskoe obrazovanie Astrofizika Istoriya astronomii Kosmonavtika, issledovanie kosmosa Lyubitel'skaya astronomiya Planety i Solnechnaya sistema Solnce

Proton i antiproton: pohozhie ili odinakovye?
8.10.2003 23:45 | E. E. Onishenko/scientific.ru

V ramkah sovremennyh fizicheskih predstavlenii proton i antiproton (to zhe spravedlivo i dlya drugih par chastica-antichastica) imeyut v tochnosti ravnye massy, a velichiny ih elektricheskih zaryadov otlichayutsya tol'ko znakom. No tak li eto na samom dele? Provedennye v CERNe izmereniya pozvolili uchenym iz Yaponii i Vengrii ustanovit' novyi predel na vozmozhnoe otlichie massy i zaryada protona i antiprotona.

Ris.1. Shema eksperimental'noi ustanovki.

V nastoyashee vremya chasticy i antichasticy schitayutsya ekvivalentnymi sushnostyami: predpolagaetsya, chto esli zamenit' vse chasticy na antichasticy, vmeste s tem provedya operacii prostranstvennoi inversii i obrashenie vremeni, to nikakih izmenenii v haraktere protekaniya fizicheskih processov ne proizoidet (CPT-invariantnost'), t.e., grubo govorya, nikto nichego ne zametit. V real'nosti provodit' zaryadovoe sopryazhenie i obrashat' vremya nikto, konechno, ne umeet, no eto delat' i ne nuzhno. Pomimo vsegda imeyusheisya v nashem rasporyazhenii materii, sostoyashei iz obychnyh chastic, uchenye v nastoyashee vremya umeyut sozdavat' i dostatochno bol'shie kolichestva antimaterii (sm. nashu zametku " Mnogo holodnogo antivodoroda v CERNe". Sravnenie energeticheskogo spektra atoma antivodoroda, sostoyashego iz antiprotona i pozitrona, i obychnogo atoma vodoroda, sostoyashego iz protona i elektrona, daet vozmozhnost' naiti (ili - ne naiti) razlichiya v svoistvah antimateriii materii, t.e. postavit' pod somnenie osnovopolagayushie fizicheskie teorii ili podtverdit' ih pravotu.

Sravnenie spektrov atomov vodoroda i antivodoroda, konechno, ne edinstvennyi put' proverki ekvivalentnosti chastic i antichastic. V tom zhe CERNe s ispol'zovaniem togo zhe unikal'nogo Antiprotonnogo Zamedlitelya, pozvolyayushego na vyhode poluchat' puchki antiprotonov s energiei 5.3 MeV, v poslednie gody idut eksperimenty po izmereniyu chastot spektral'nyh perehodov atomov p^-He⁺ (etot atom sostoit iz al'fa-chasticy (yadra atoma geliya), elektrona i antiprotona). Nedavno yaponskie i vengerskie uchenye, usovershenstvovav ustanovku, smogli poluchit' novoe ogranichenie na vozmozhnoe otlichie massy i zaryada protona i antiprotona [1].

Ris.2. Inducirovannye lazernym izlucheniem vspleski intensivnosti annigilyacii.

V bolee rannih eksperimentah antiprotony s energiei 5.3 MeV zamedlyalis' v kriogennoi gelievoi misheni s plotnost'yu atomov geliya 10²¹ sm^-3. Stol' vysokaya plotnost', nuzhnaya dlya tormozheniya antiprotonov, privodila k nekotoromu smesheniyu chastot spektral'nyh perehodov atomov p^-He⁺ za schet stolknovenii s atomami geliya. Teper' zhe uchenye usovershenstvovali vklyuchiv v sostav eksperimental'noi ustanovki (ris.1) radiochastotnyi kvadrupol'nyi zamedlitel' (RFQD), pozvolyayushii zamedlit' chast' prohodyashih cherez nego antiprotonov (primerno 30 %) do energii poryadka 100 keV. Eto pozvolilo umen'shit' plotnost' gaza v kamere-misheni na chetyre poryadka, v rezul'tate chego sdvig chastot perehodov stal prenebrezhimo mal po sravneniyu s estetstvennoi shirinoi linii.

Puchok nizkoenergetichnyh (menee 120 keV) antiprotonov, otklonennyi ot obshei traektorii, popadal v kameru s geliem, podderzhivaemym pri temperature menee 30 K. V kamere obrazovyvalis' atomy p^-He⁺, obladayushie dostatochno bol'shim (mikrosekundnogo diapazona) vremenem zhizni (formiruyushiesya atomy nahodyatsya v vozbuzhdennom sostoyanii s bol'shimi znacheniyami kvantovyh chisel n i l (glavnogo i orbital'nogo)). Issledovateli ispol'zovali rezonansnoe vozbuzhdenie lazerom na krasitelyah teh perehodov, pri kotoryh antiproton iz metastabil'nogo sostoyaniya perehodit v sostoyanie s malym vremenem zhizni (za schet peredachi energii elektronu (pokidayushem atom) antiproton bystro uhodit iz takogo sostoyaniya, a v obrazovavshemsya ione p^-He²⁺ ochen' bystro proishodit annigilyaciya protona i antiprotona). Rozhdavshiesya pri annigilyacii protonov i antiprotonov piony registrirovalis' cherenkovskimi detektorami, chto davalo uchenym vozmozhnost' nablyudat' vyzvannyi lazernym impul'som "vsplesk" annigilyacii (ris.2).

Ris.3. Shema energeticheskih urovnei atomov p-4He+ i p-3He+ (dliny voln issledovannyh perehodov dany v nanometrah).

Nemnogo menyaya chastotu lazera, issledovateli mogli ne tol'ko fiksirovat' chastotu perehoda po nablyudeniyu pika v spektrah annigilyacii, no i "propisyvat'" formu linii perehoda. Provedya eksperimenty s razlichnymi izotopami geliya (⁴He i ³He) v rabochei kamere, uchenye smogli opredelit' s vysokoi tochnost'yu chastoty 13 perehodov (ris.3). Sravnivaya eksperimental'no izmerennye chastoty perehodov s teoreticheski predskazannymi, i, znaya izmerennuyu s vysokoi tochnost'yu ciklotronnuyu chastotu antiprotona, oni ustanovili novyi predel na vozmozhnoe otlichie massy i zaryada protona i antiprotona - 10^-8, chto v shest' raz luchshe predydushego rezul'tata. Chtoby dvigat'sya dal'she, nuzhno budet ne tol'ko povysit' tochnost' eksperimental'nogo opredeleniya chastot perehodov, no i nauchit'sya ih bolee tochno rasschityvat'.

1. M.Hori, J.Eades, R.S.Hayano et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 123401 (2003).

Publikacii s klyuchevymi slovami: elementarnye chasticy - antiproton - proton Publikacii so slovami: elementarnye chasticy - antiproton - proton
Sm. takzhe: Bozon Higgsa: ob'yasnenie v komikse Evolyuciya vselennoi Leptony Elementarnye chasticy Ee zvali Iks Pentakvark, opyat' pentakvark? Polyarnoe siyanie iz protonov Vse publikacii na tu zhe temu >>