Протон и антипротон: похожие или одинаковые?

В рамках современных физических представлений протон и антипротон (то же справедливо и других пар частица-античастица) имеют в точности равные массы, а величины их электрических зарядов отличаются только знаком. Но так ли это на самом деле? Проведенные в ЦЕРНе измерения позволили ученым из Японии и Венгрии установить новый предел на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона.

 
Рис.1. Схема экспериментальной установки.
 

В настоящее время частицы и античастицы считаются эквивалентными сущностями: предполагается, что если заменить все частицы на античастицы, вместе с тем проведя операции пространственной инверсии и обращение времени, то никаких изменений в характере протекания физических процессов не произойдет (CPT-инвариантность), т.е., грубо говоря, никто ничего не заметит. В реальности проводить зарядовое сопряжение и обращать время никто, конечно, не умеет, но это делать и не нужно. Помимо всегда имеющейся в нашем распоряжении материи, состоящей из обычных частиц, ученые в настоящее время умеют создавать и достаточно большие количества антиматерии (см. нашу заметку " Много холодного антиводорода в ЦЕРНе". Сравнение энергетического спектра атома антиводорода, состоящего из антипротона и позитрона, и обычного атома водорода, состоящего из протона и электрона, дает возможность найти (или - не найти) различия в свойствах антиматериии материи, т.е. поставить под сомнение основополагающие физические теории или подтвердить их правоту.

Сравнение спектров атомов водорода и антиводорода, конечно, не единственный путь проверки эквивалентности частиц и античастиц. В том же ЦЕРНе с использованием того же уникального Антипротонного Замедлителя, позволяющего на выходе получать пучки антипротонов с энергией 5.3 МэВ, в последние годы идут эксперименты по измерению частот спектральных переходов атомов p-He+ (этот атом состоит из альфа-частицы (ядра атома гелия), электрона и антипротона). Недавно японские и венгерские ученые, усовершенствовав установку, смогли получить новое ограничение на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона [1].

 
Рис.2. Индуцированные лазерным излучением всплески интенсивности аннигиляции.
 

В более ранних экспериментах антипротоны с энергией 5.3 МэВ замелись в криогенной гелиевой мишени с плотностью атомов гелия 1021 см-3. Столь высокая плотность, нужная торможения антипротонов, приводила к некоторому смещению частот спектральных переходов атомов p-He+ за счет столкновений с атомами гелия. Теперь же ученые усовершенствовали вв в состав экспериментальной установки (рис.1) радиочастотный квадрупольный замедлитель (RFQD), позволяющий замедлить часть проходящих через него антипротонов (примерно 30 %) до энергии порядка 100 кэВ. Это позволило уменьшить плотность газа в камере-мишени на четыре порядка, в результате чего сдвиг частот переходов стал пренебрежимо мал по сравнению с естетственной шириной линий.

Пучок низкоэнергетичных (менее 120 кэВ) антипротонов, отклоненный от общей траектории, попадал в камеру с гелием, поддерживаемым при температуре менее 30 К. В камере образовывались атомы p-He+, обладающие достаточно большим (микросекундного диапазона) временем жизни (формирующиеся атомы находятся в возбужденном состоянии с большими значениями квантовых чисел n и l (главного и орбитального)). Исследователи использовали резонансное возбуждение лазером на красителях тех переходов, при которых антипротон из метастабильного состояния переходит в состояние с малым временем жизни (за счет передачи энергии электрону (покидающем атом) антипротон быстро уходит из такого состояния, а в образовавшемся ионе p-He2+ очень быстро происходит аннигиляция протона и антипротона). Рождавшиеся при аннигиляции протонов и антипротонов пионы регистрировались черенковскими детекторами, что давало ученым возможность наблюдать вызванный лазерным импульсом "всплеск" аннигиляции (рис.2).

 
Рис.3. Схема энергетических уровней атомов p-4He+ и p-3He+ (длины волн исследованных переходов даны в нанометрах).
 

Немного меняя частоту лазера, исследователи могли не только фиксировать частоту перехода по наблюдению пика в спектрах аннигиляции, но и "прописывать" форму линии перехода. Проведя эксперименты с различными изотопами гелия (4He и 3He) в рабочей камере, ученые смогли определить с высокой точностью частоты 13 переходов (рис.3). Сравнивая экспериментально измеренные частоты переходов с теоретически предсказанными, и, зная измеренную с высокой точностью циклотронную частоту антипротона, они установили новый предел на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона - 10-8, что в шесть раз лучше предыдущего результата. Чтобы двигаться дальше, нужно будет не только повысить точность экспериментального определения частот переходов, но и научиться их более точно рассчитывать.

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