» » ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер

ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер


ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер

Рис. 1. Энерговыделение частицы на единицу длины траектории в зависимости от ее импульса (по данным время-проекционной камеры детектора ALICE). Слева — отрицательно заряженные частицы, справа — положительно. Каждая точка — отдельная прослеженная частица. Черные линии — теоретически ожидаемые зависимости для частиц разных типов. Изображение из статьи ALICE Collaboration, 2015. Production of light nuclei and anti-nuclei in pp and Pb-Pb collisions at LHC energies


Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, набрала статистику легких антиядер, аккуратно измерила их массы и обнаружила совпадение, в пределах погрешностей, с массами ядер. Ей также удалось измерить энергии связи ядер антидейтерия и антигелия-3, что стало первым шагом в новом направлении ядерных исследований — «антиядерной» физике.

Антивещество, и в особенности позитроны и антипротоны, уже давно известно физикам и используется в разнообразных экспериментах. Антипротоны, например, производились в больших количествах для американского протон-антипротонного коллайдера Тэватрон. В ЦЕРНе есть специальная установка — антипротонный замедлитель (AD) — которая поставляет поток медленных антипротонов для нужд сразу нескольких экспериментов с антипротонами и антиводородом (см.: В эксперименте ASACUSA заработала линия по производству антиводорода, «Элементы», 04.02.2014). Поскольку антипротоны стабильны — если их, конечно, изолировать от обычной материи, — с ними можно выполнять очень точные измерения. Например, совсем недавно церновский эксперимент BASE выяснил, что масса антипротона совпадает с массой протона с точностью лучше одной десятимиллиардной.

Однако это всё касается только отдельных античастиц. Антиядра — связанные состояния антипротонов и антинейтронов — изучены гораздо хуже. Во-первых, известно их очень мало. Легчайшие антиядра, антидейтроны, впервые наблюдались ровно полвека назад. Антигелий-3 увидели в 1971 году. Известен также антитритон и антигелий-4, причем последний был открыт совсем недавно, в 2011 году. Во-вторых, рождаются антиядра очень редко. Для возникновения антиядра нужно, чтобы в столкновении не просто родилось несколько антинуклонов, а чтобы они вдобавок вылетели примерно в одном направлении и объединились друг с другом. В-третьих, замедлить и поймать в ловушку антиядра пока не удается, поэтому все измерения с ними приходится делать на лету.

Из-за этих трудностей до сих пор не удавалось приступить к изучению «антиядерных сил» — сил взаимодействия между антинуклонами в антиядре. В принципе, теоретики считают, что в силу CPT-теоремы все общие свойства частиц и античастиц (массы, полные ширины распада и т. п.) должны совпадать. Это относится и к антиядрам, к их массам и энергиям связи. Однако любое теоретическое утверждение желательно проверить экспериментально; в конце концов, некоторые теоретики обсуждают гипотетическую возможность небольшого нарушения CPT-симметрии.

На днях коллаборация ALICE опубликовала в журнале Nature Physics результаты рекордного по точности сравнения масс ядер дейтерия и гелия-3 и их же антиядер. Статистика антиядер была набрана во время короткого сеанса ядерных столкновений, который прошел на Большом адронном коллайдере в ноябре 2011 года. В типичном ядерном столкновении рождаются тысячи отдельных частиц, и среди них могут иногда встречаться антипротоны, антинейтроны и, в исключительных случаях, антиядра. Разобраться в этой мешанине очень сложно, но детектор ALICE, специально заточенный под изучения ядерных столкновений, с этой задачей справляется уверенно. Помогают ему в этом ключевые конструкционные элементы: большая время-проекционная камера, аккуратно восстанавливающая тысячи траекторий, и комбинированная система идентификации частиц. По ним измеряется импульс частицы и ее скорость, а значит, и масса. Тип частицы виден также по энерговыделению на единицу длины траектории, который хорошо измеряется время-проекционной камерой (рис. 1).

Поскольку главной задачей исследования было сравнение масс ядер и антиядер (а точнее, сравнение отношений массы к модулю электрического заряда, u = m/|z|), физики постарались избавиться от общих источников систематических погрешностей. Для этого при обработке данных измерялись не отдельно массы ядер и антиядер, а сразу, на уровне статистических распределений, разница между поведением частиц и античастиц. Это позволило устранить неточности восстановления траекторий, последствия неидеального выравнивания разных компонентов детектора и другие неизбежные погрешности «железа».

После этого оставались инструментальные эффекты, связанные с неидеальным магнитным полем, которые могли по-разному влиять на частицы разных знаков заряда. Это опасный источник погрешностей — если его проигнорировать, может создаться ложное впечатление, что траектории ядер и антиядер закручиваются по-разному, а значит, их массы отличаются. Для этого в ходе набора статистики магнитное поле регулярно меняло полярность на противоположную. Наконец, все остаточные источники погрешностей были внимательно проанализированы, минимизированы и оценены численно. Благодаря этой кропотливой работе относительная систематическая погрешность результата не превышала одной тысячной.

Результат, полученный коллаборацией ALICE для величины (Deltamu_A = mu_A - mu_{bar A}), таков: [ {Deltamu_d over mu_d} = (0,!9 pm 0,!5 pm 1,!4)cdot 10^{-4},, quad {Deltamu_{{}^3mathrm{He}} over mu_{{}^3mathrm{He}}} = (-1,!2 pm 0,!9 pm 1,!0)cdot 10^{-3},, ] где первая погрешность статистическая, вторая — систематическая. Как видно, обе измеренные величины в пределах погрешности равны нулю, в полном согласии с CPT-теоремой. На рис. 2, слева, эти данные представлены графически и сопоставлены с данными старых, почти полувековой давности, экспериментов.


ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер

ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер

Рис. 2. Сравнение масс (слева) и энергий связи (справа) ядер и антиядер дейтерия и гелия-3. Красным показаны новые результаты ALICE, черным — данные старых экспериментов. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics


Высокая точность результата позволила коллаборации ALICE сделать следующий шаг — вычислить энергию связи ядер и антиядер по их дефекту масс и проверить тем самым, меняются ли ядерные силы при переходе от ядер к антиядрам. Результаты здесь оказались такими (см. также рис. 2, справа):

[ {Delta E_d over E_d} = -0,!04 pm 0,!05 pm 0,!12,, quad {Delta E_{{}^3mathrm{He}} over E_{{}^3mathrm{He}}} = 0,!24 pm 0,!16 pm 0,!18. ]

Точность, конечно, не слишком высока. Но тот факт, что энергия связи антиядер наконец-то стала доступна измерению и сравнению с ядрами, означает, что на наших глазах рождается новое направление исследований, которое можно условно назвать «антиядерной» физикой. В принципе, от коллайдерных экспериментов можно еще ждать некоторого улучшения точности, а также измерения энергии связи для антигелия-4. Однако рывок в точности произойдет лишь тогда, когда физики начнут получать медленные антиядра и удерживать их в ловушках. Когда это будет реализовано — неизвестно; на пути к этому придется преодолеть серьезные технические трудности.

Источник: ALICE Collaboration. Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei // Nature Physics. Published online 17 August 2015. DOI: 10.1038/nphys3432. Статья также доступна в виде е-принта arXiv:1508.03986 [nucl-ex].

Игорь Иванов


27 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Крошечные капли кварк-глюонной плазмы образуются и в несимметричных ядерных столкновениях

До сих пор кварк-глюонная плазма встречалась физикам только в столкновениях двух тяжелых ядер высокой энергии. Считалось, что в несимметричных столкновениях, когда очень легкое ядро ударяет по

Нобелевская премия по физике — 2015

Нобелевская премия по физике за 2015 год присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду — руководителям двух экспериментальных групп, изучающих свойства нейтрино. Их измерения на рубеже веков

Нейтринная астрофизика делает первые шаги

Два года назад человечеству открылось еще одно окно для наблюдения за глубоким космосом — через нейтрино высокой энергии. Статистика таких астрофизических нейтрино пока мала, но, сопоставляя ее с

Ядерная материя близка к точке квантового фазового перехода

Численные расчеты энергии связи нескольких ядер убедительно доказали наличие квантового фазового перехода на диаграмме моделей ядерной материи. С одной стороны этой границы находятся обычные

Данные BaBar десятилетней давности позволили улучшить ограничения на параметры темных фотонов

В последние годы своей работы эксперимент BaBar обратился к поискам указаний на существование новых частиц, которые могли бы заполнить некоторые пробелы в нашем понимании Вселенной. Анализ набранных

Новые данные по космическим электронам и позитронам принесли очередные загадки

Потоки космических электронов и позитронов высоких энергий демонстрируют неожиданные закономерности, которые трудно объяснить известными астрофизическими процессами. За последний месяц были
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладNASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераЧто происходит с океанами Земли?