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, 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 (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):

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