В результате прорыва, который однажды может дать важные сведения о природе самой материи, группа ученых из Гарварда преуспела в измерении магнитного заряда отдельных частиц материи и антиматерии более точно, чем когда-либо прежде.
Как описано в статье от 25 марта в журнале Physical Review Letters, команда ATRAP под руководством Джеральда Габриэлса, профессора физики Джорджа Васмера Леверета, в которую входят научные сотрудники Стефан Эттенауэр и Эрик Тардифф, а также аспиранты Джек Дишакка, Мейсон Маршалл, Кэтрин Марабл и Рита Калра смогли захватить отдельные протоны и антипротоны в «ловушку», созданную электрическими и магнитными полями. Точно измеряя колебания каждой частицы, команда смогла измерить магнетизм протона более чем в 1000 раз точнее, чем антипротон был измерен ранее. Аналогичные тесты с антипротонами позволили увеличить точность определения размера магнита в антипротоне в 680 раз.
«Это впечатляющий скачок в точности для любого фундаментального качества», - сказал Габриэльс об измерениях антипротонов. «Это скачок, который мы не часто наблюдаем в физике, по крайней мере, ни на один шаг».
Такие измерения, по словам Габриэлса, могли бы когда-нибудь помочь ученым ответить на вопрос, который кажется более подходящим для изучения философии, чем лаборатории физики - почему мы здесь?
«Одна из величайших загадок физики заключается в том, почему наша Вселенная состоит из материи», - сказал он. «Согласно нашим теориям, во время Большого взрыва образовалось одинаковое количество материи и антиматерии. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют. По мере того как Вселенная остывает, возникает большая загадка: почему вся материя не нашла антиматерию и не уничтожила их обоих? Осталось много материи и совсем нет антиматерии, и мы не знаем, почему."
Выполнение точных измерений протонов и антипротонов, объяснил Габриэльс, может начать отвечать на эти вопросы, потенциально проливая новый свет на то, верна ли теорема CPT (зарядовое сопряжение, преобразование четности, обращение времени). Являясь результатом стандартной модели физики элементарных частиц, CPT утверждает, что протоны и антипротоны должны быть практически идентичными - с одинаковым зарядом и массой - но иметь противоположные заряды.
Хотя более ранние эксперименты, в которых измерялось отношение заряда к массе протонов и антипротонов, подтвердили предсказания CPT, Габриэльс сказал, что необходимы дальнейшие исследования, поскольку стандартная модель не учитывает все силы, такие как гравитация, во вселенной.
«В этих экспериментах мы хотели сказать: «Давайте возьмем простую систему - один протон и один антипротон - и сравним их предсказанные отношения, и посмотрим, верны ли наши предсказания», - Габриэльс. сказал.«В конечном счете, все, что мы узнаем, может дать нам некоторое представление о том, как объяснить эту тайну».
В то время как исследователи смогли относительно легко захватить и измерить протоны, антипротоны образуются только в результате высокоэнергетических столкновений, которые происходят в обширных туннелях лаборатории CERN в Женеве, сказал Габриэльс, поставив исследователей перед трудным выбором..
«В прошлом году мы опубликовали отчет, показывающий, что мы можем измерить протон гораздо точнее, чем когда-либо прежде», - сказал Габриэлезе. «Однако после того, как мы это сделали, мы должны были принять решение - хотим ли мы рискнуть и перевезти наших людей и всю нашу аппаратуру - ящики и ящики с электроникой и очень хрупкую ловушку - в ЦЕРН и попытаться сделать это. то же самое с антипротонами?Антипротоны будут доступны только до середины декабря, а потом не будет в течение полутора лет.
"Мы решили попробовать, и, клянусь Джорджем, нам это удалось", - продолжил он.«В конце концов, мы утверждали, что должны попытаться это сделать, потому что даже если бы мы потерпели неудачу, эта неудача нас чему-то научит». Габриэльс назвал «смелым» выбором аспиранта Джека ДиЧиакка, который согласился использовать эту попытку для завершения исследования своей диссертации, а новые аспиранты Маршалл и Марабл согласились помочь.
Хотя их результаты по-прежнему соответствуют прогнозам, сделанным стандартной моделью, Габриэльс сказал, что возможность более точного измерения характеристик как материи, так и антиматерии может помочь пролить новый свет на то, как работает Вселенная.
«Что еще очень интересно в этом прорыве, так это то, что теперь он готовит нас к продолжению этого пути», - сказал он. «Я уверен, что с таким началом мы сможем повысить точность этих измерений еще в 1 000 или даже в 10 000 раз».