Восьмичасовой эксперимент с использованием ловушки ALPHA в ЦЕРН подтвердил с точностью в 20 раз больше, чем раньше, что заряд атома антиводорода - аналога атома водорода из антивещества - равен нулю.
Заряд идентичен заряду атома водорода, что еще раз демонстрирует, что свойства антиматерии и материи являются зеркальным отражением друг друга.
Ненулевой заряд означал бы, что антипротон в ядре и жужжащий вокруг него позитрон имеют немного разные заряды, что нарушило бы правила Стандартной модели физики элементарных частиц и, возможно, дало бы объяснение доминирования материи над антиматерией во Вселенной.
«Асимметрия материи и антиматерии во Вселенной - одна из самых важных нерешенных проблем теории Большого взрыва, которая в остальном очень успешна», - сказал Джоэл Фаджанс, профессор физики Калифорнийского университета. Беркли и руководитель эксперимента. «Наш эксперимент был далеким, чтобы увидеть, есть ли различия между материей и антиматерией, в данном случае атомами водорода и атомами антиводорода. Оба должны быть нейтральными».
Теоретически материя и антиматерия должны были быть созданы в равных количествах при рождении космоса в результате Большого Взрыва, 13,8 миллиардов лет назад. Тем не менее, сегодня антивещество редко встречается во Вселенной, что заставляет физиков искать мельчайшие нарушения известных законов физики, которые могли бы объяснить асимметрию.
«В каком-то смысле это первое точное измерение антиводорода, потому что оно превосходит все, что можно было сделать из предыдущих измерений», - сказал Фаджанс. «Люди отдельно установили границы заряда антипротона и позитрона, которые противоположны и экспериментально примерно равны. Но в этой статье мы улучшили оценку, полученную путем добавления измеренного заряда антипротона и позитрона».
Заряд равен нулю с точностью до 0,7 частей на миллиард, предел в 20 раз меньше, чем предыдущие измерения.
Эксперимент также позволил исследователям рассчитать заряд позитрона, который, за исключением знака заряда, такой же, как и у электрона, с точностью до 1 части на миллиард. Этот предел в 25 раз лучше предыдущих измерений.
Результаты были опубликованы в номере журнала Nature от 21 января 2016 года. Сотрудничество ALPHA в Европейской организации ядерных исследований в Женеве, Швейцария, возглавляет Джеффри Хангст из Орхусского университета в Дании.
В поисках различий между материей и антиматерией
Fajans, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли Джонатан Вуртеле и их коллеги из ALPHA исследовали антиводород в предыдущих экспериментах для поиска нарушений Стандартной модели, но пока безрезультатно. Одна из таких попыток - обнаружить разницу между гравитационным притяжением материи и антиматерии - будет проверена с большей точностью благодаря новому гранту в размере 15 миллионов долларов, выделенному ALPHA из Канады и Дании на поиск гравитационных аномалий в атомах антиводорода.
В последнем эксперименте, проведенном в конце 2014 года, Фаянс и Вуртеле использовали новую технику, называемую стохастическим ускорением, которая более чувствительна, чем более прямые методы. Они захватили атомы антиводорода, как и в предыдущих экспериментах, но на этот раз неоднократно подвергали их воздействию электрического поля, чтобы попытаться вытолкнуть их из ловушки. Если бы антиатомы действительно были нейтральны, эти поля не имели бы никакого эффекта.
Мы постоянно ударяли по антиводороду электрическим полем, случайным образом, около 80 000 раз. Если бы они были заряжены, раскачивая их взад-вперед, взад-вперед, в конечном итоге они получили бы достаточно энергии, чтобы вырваться из ловушка, - сказал он. «Антиводород остался в ловушке, что позволило нам установить предел возможного заряда».
Он сравнил эту технику с катанием воздушного шара по футбольному стадиону, в который неоднократно попадали сотни или тысячи болельщиков. Без трения о воздух, замедляющего его, воздушный шар в конечном итоге улетит за пределы стадиона.
Благодаря многолетней работе примерно 50 ученых и студентов ALPHA, эксперимент ALPHA сейчас находится на критическом этапе, сказал Фаджанс.
«Мы подошли к тому моменту, когда можем уверенно и надежно проводить эксперименты с захваченным антиводородом, но нам потребовались тысячи и тысячи часов, чтобы добраться до этого момента», - сказал он. «Это открывает новую эру точных измерений антиводорода».
Аспиранты Калифорнийского университета в Беркли Марчелло Бакеро-Руис и Лен Эванс, а также преподаватель Эндрю Чарман работали с Фаджансом, Вуртеле и командой ALPHA, чтобы получить экспериментальные данные и проанализировать их за последний год. Команда Калифорнийского университета в Беркли была поддержана Национальным научным фондом США и Министерством энергетики.