Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан


Д. Никифоров и др.
ЭКО: длинная история короткой встречи


А. Никонов
Небывалое бедствие в селе Кашкаранцы


Л. Сасскинд, Дж. Грабовски
«Теоретический минимум». Глава из книги


А. Сергеев, А. Благодатский
Насекомые и бионика: загадки зрительного аппарата


Л. Смолин
«Возвращение времени». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

ALICE измерил массы и энергии связи легких антиядер


Рис. 1. Энерговыделение частицы на единицу длины траектории в зависимости от ее импульса

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, μ = 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 \(\Delta\mu_A = \mu_A - \mu_{\bar A}\), таков: \[ {\Delta\mu_d \over \mu_d} = (0,\!9 \pm 0,\!5 \pm 1,\!4)\cdot 10^{-4}\,, \quad {\Delta\mu_{{}^3\mathrm{He}} \over \mu_{{}^3\mathrm{He}}} = (-1,\!2 \pm 0,\!9 \pm 1,\!0)\cdot 10^{-3}\,, \] 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.

Рис. 2. Сравнение масс и энергий связи ядер и антиядер дейтерия и гелия-3

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):

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

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


Комментарии (34)



Последние новости: Детектор ALICEФизикаLHCИгорь Иванов

11.05
Аномалия в распадах B-мезонов подтверждается еще в одном эксперименте
10.05
ATLAS обновил данные по топ-антитоп-хиггс отклонению
9.05
Коллайдер набирает обороты
1.05
Поломка трансформатора на неделю задерживает работу коллайдера
27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
26.04
ATLAS не проясняет ситуацию с распадом B-мезона на мюоны
25.04
CMS выложил в свободный доступ 300 ТБ своих данных
12.04
Коллайдер не видит «двуххиггсовских» тяжелых резонансов
11.04
Коллайдер ищет невидимые частицы в данных Run 2
10.04
Прошел пробный сеанс протонных столкновений


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия