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


34
Показать комментарии (34)
Свернуть комментарии (34)

  • prometey21  | 19.08.2015 | 16:35 Ответить
    Игорь! Извиняюсь за оффтопик! Меня интересует, как в поисках распадов Хиггса на ZZ или WW, определялись детекторами частиц виртуальные бозоны Z и W? Я предполагаю сложности в этих процессах, но до конца не понимаю, как это было сделано?!
    Ответить
    • Игорь Иванов > prometey21 | 19.08.2015 | 16:47 Ответить
      В случае ZZ — по их лептонным распадам и распределению по инвариантной массе сначала одной пары, а затем всего четырехлептонного состояния. В случае WW тоже по лептонным распадам, но только из-за недетектируемых нейтрино распределение по общей инвраиантной массе очень широкое, поэтому там пришлось сильно опираться на моделирование для отделения сигнала от фона.
      Ответить
      • prometey21 > Игорь Иванов | 19.08.2015 | 17:11 Ответить
        Спасибо!
        Ответить
  • a_b  | 19.08.2015 | 20:24 Ответить
    Но ведь CPT-инвариантность - это теорема? Теоретики замахнулись на -с-в-я-т-о-е-(вычеркнуто) Лоренц-инвариантность или на что другое?
    Ответить
    • Игорь Иванов > a_b | 19.08.2015 | 22:47 Ответить
      Ну да, святое, но только что нам мешает строить теории с нарушением Лоренц-инвариантности? Имеем право строить, и имеем право искать отклонения экспериментально. Общий девиз экспериментальной физики: всё, что в пределах экспериментальной досягаемости, следует проверять.
      Ответить
  • Minbadar  | 19.08.2015 | 20:26 Ответить
    Из рис.1 получается, что в столкновениях ядер свинца рождались сопоставимые количества протонов и антипротонов, дейтронов и антидейтронов, гелия-3 и антигелия-3 - каждая кривая окутана одинаково мощной "шубой" из точек. А вот антитритий категорически не рождался - его кривая явно "голая", тогда так с производством просто трития все было хорошо. Почему такая аномалия и почему про нее нет ни слова в результатах ALICE?
    Ответить
    • Дремучий > Minbadar | 19.08.2015 | 21:32 Ответить
      Прекратите троллить!
      Ответить
    • Роман Пехов > Minbadar | 19.08.2015 | 22:05 Ответить
      Если присмотреться, можно заметить, что и для дейтрона и для протона шуба немного толще, чем для соответствующей античастицы. Лучше всего заметно на ординате примерно 2.5⋅10².

      Насколько я понимаю, ALICE не утверждает и не ожидает, что должно рождаться равное количество частиц и античастиц. У нас сталкиваются протон с протоном, а не протон с антипротоном. Эксперимент не симметричен относительно заряда.
      Ответить
      • Игорь Иванов > Роман Пехов | 19.08.2015 | 22:54 Ответить
        > У нас сталкиваются протон с протоном, а не протон с антипротоном.

        У нас тут сталкиваются ядра.

        Я сначала думал, что в столкновении будет лететь куча ошметков исходных ядер, а вот антиядра надо мучительно рождать, но потом посмотрел на http://arxiv.org/abs/1506.08951 , раздел 3.1, и увидел что вообще-то отношение антиядер к ядрам получается одинаковым для дейтерия и для гелия-3. У антитрития проблема чисто измерительная — отделение сигнала от фона работает для них очень плохо, поэтому такая низкая статистика осталась.
        Ответить
        • Роман Пехов > Игорь Иванов | 20.08.2015 | 02:00 Ответить
          Дейтроны и антидейтроны крупно:

          https://drive.google.com/file/d/0B-WBxHTQxad2UUZzbHRGZTZkYTQ

          Здесь третье изображение – дейтроны перекрашены в оранжевый цвет и сверху наложены антидейтроны.

          В упомянутом разделе 3.1 для отношения анти-d/d приведены значения от 0.98 до 1.02. Получается, рисунок противоречит этим данным. Или, быть может, ядро и антиядро имеют разное распределение по величине p/z (по горизонтали).
          Ответить
          • Игорь Иванов > Роман Пехов | 20.08.2015 | 11:50 Ответить
            На рисунке в новости показаны реально отобранные частицы, т.е. с учетом эффективности детектора. А в разделе 3.1 приведены графики для данных скорректированных относительно этого эффекта. Они показывают оценку того, сколько античастиц рождалось, а тут показано, сколько из них надежно прослежено.
            Ответить
    • Игорь Иванов > Minbadar | 19.08.2015 | 23:03 Ответить
      Я согласен, что различие бросается в глаза. В этой статье это не обсуждалось, потому что она посвящена одному конкретному вопросу. Более подробное обсуждение количества рожденных ядер и антиядер и сравнение с моделями приводится в длинной статье http://arxiv.org/abs/1506.08951

      Там в главе 3.3 сказано, что разделение сигнал-фон для анти-тритонов работает намного хуже, чем для антигелия-3. Для уверенного разделения взяли только те частицы, поперечный импульс которых меньше 1,6 ГэВ, и это сильно зарезало всю статистику. Но исходно, как утверждается, анти-тритоны и антигелий-3 рождались примерно в одинаковых количествах примерно одинаково.
      Ответить
  • Дремучий  | 19.08.2015 | 21:41 Ответить
    Я бы конечно не сказал, что Δμd/μd=(0,9±0,5±1,4)⋅10−4, Δμ3He/μ3He=(1,2±0,9±1,0)⋅10−3 - это нулевые значения. Если бы измеряемая величина действительно была равна нулю, то приблизительно с равной вероятностью вы могли получить измеренное значение как положительное, так и отрицательное, причем довольно близкое к нулю. Однако в обоих случаях измеренная величина положительная, и в обоих случаях измеренная величина приблизительно равна погрешности. Фактически ноль там можно разглядеть только на левой границе доверительного интервала, что не придаёт этим цифрам никакой убедительности, если ваша цель доказать, что измерен именно ноль.
    Ответить
    • Игорь Иванов > Дремучий | 19.08.2015 | 22:45 Ответить
      Вы как-то неправильно понимаете данные с погрешностями. Перечитайте страничку http://elementy.ru/LHC/HEP/study/errors и все подстраницы по ссылкам. Здесь в обоих случаях получается число, менее чем на 1 полную сигму отличающееся от нуля. Здесь вообще нет ни малейших оснований утверждать, что измерение намекает хоть на что-то ненулевое.
      Ответить
      • Дремучий > Игорь Иванов | 20.08.2015 | 22:12 Ответить
        Я понимаю правильно. Результат отстаёт от нуля вправо почти на сигму. Собственно, это и означает, что истинная величина может быть как ноль, так и не ноль. В этих условиях уверенно утверждать, что измерен ноль, не приходится. Фактически, ничего не ясно. Всё ясно только мошенникам и дуракам.
        Ответить
        • Игорь Иванов > Дремучий | 21.08.2015 | 00:38 Ответить
          Объясняю еще раз.

          Любое измерение с указанной погрешностью — это не просто какое-то число, а краткое руководство по проверке статистических гипотез. Если вы видите запись a = 1 +/- 1, то на основании этого вы можете дать такие ответы на вопросы следующего вида:
          1) насколько правдоподобно, что истинное значение a равно строго нулю? Ответ: вполне правдоподобно.
          2) насколько правдоподобно, что истинное значение a равно 1.2? Ответ: вполне правдоподобно.
          3) насколько правдоподобно, что истинное значение a равно 2.1? Ответ: вполне правдоподобно.
          4) насколько правдоподобно, что истинное значение a равно -2.5? Ответ: маловероятно.
          5) насколько правдоподобно, что истинное значение a равно 8.1? Ответ: исключительно маловероятно.
          ...и так далее.

          Разумеется, в каждом случае приводится количественная оценка правдоподобности, я просто не стал их вычислять. В этом конкретном случае нас среди всех гипотез особенно интересует a=0. Измеренный результат a = 1 +/- 1 означает, что согласно данным эта гипотеза вполне правдоподобна. Данные не дают повода усомниться в ней.

          Поэтому сбавьте, пожалуйста, обороты и пойдите поразбирайтесь с матчастью.
          Ответить
          • Дремучий > Игорь Иванов | 21.08.2015 | 00:45 Ответить
            ?
            Ответить
  • Sergeir220  | 20.08.2015 | 09:44 Ответить
    Вроде как должны были еще проверить, не обладает ли антивещество антигравитацией? Я что-то путаю или это еще дело будущего?
    Ответить
    • Игорь Иванов > Sergeir220 | 20.08.2015 | 11:53 Ответить
      Этим занимается не LHC, а низкоэнергетические эксперименты с антиводородом, GBAR и AEGIS. Они сейчас устанавливаются и проверяются, а заработают в 2017 году. Но косвенную проверку дал недавний эксперимент BASE. Он показал, что если бы сила гравитации на антипротоны отличалась бы от протонов хотя бы на одну миллионную, он бы это заметил, см. https://nplus1.ru/news/2015/08/14/proton-antiproton
      Ответить
      • prox > Игорь Иванов | 24.08.2015 | 12:11 Ответить
        А почему вообще предполагают, что антивещество будет антигравитировать? Только из-за того, что другие квантовые числа у частиц и античастиц противоположные? Тогда тот факт, что антивещество гравитирует по-обычному, являлся бы дополнительной иллюстрацией выделенности гравитационного поля по сравнению с другими полями взаимодействий. Является ли антигравитация необходимым элементом теорий Beyond SM?
        Ответить
        • Arbnos > prox | 12.09.2015 | 16:57 Ответить
          Судя по известным мне источникам, нет.
          Ответить
  • Skeptic  | 21.08.2015 | 00:38 Ответить
    Ну вот опять скучнейшая новость... кому интересны эти антисилы, антисанкции, античастицы?
    Ответить
    • Скеп-тик > Skeptic | 21.08.2015 | 19:55 Ответить
      Кому это не интересно, те сидят ВКонтакте или режутся в танчики.
      Здесь те, кому интересна сигма 2,9 - слегка намекающая...
      Ответить
      • Skeptic > Скеп-тик | 22.08.2015 | 12:12 Ответить
        украли ник так сидите и помалкивайте
        Ответить
  • torque_xtr  | 21.08.2015 | 01:54 Ответить
    Кстати, какими способами, как предполагается, можно получать антиядра, более тяжелые, чем гелий, и какие трудности надо преодолеть?
    Ответить
    • prometey21 > torque_xtr | 21.08.2015 | 21:21 Ответить
      В столкновениях возможно получение и антилития, но он будет получаться значительно реже. Кварк-глюонная плазма вполне может "родить" такие антиядра! Я предполагаю, что это осуществляется во время мощных термоядерных взрывов, а также в процессах на звездах!
      Ответить
      • PavelS > prometey21 | 22.08.2015 | 01:34 Ответить
        К этому комментарию я отношусь скептически.
        Ответить
        • prometey21 > PavelS | 22.08.2015 | 15:21 Ответить
          "Антигелий стабилен и если он не встретит ничего на своем пути, то будет существовать вечно", - сказал Айхонг Тэнг, физик из этой лаборатории. "Если не произойдет каких-то крупных открытий в технологии ускорителей, то за этой частицей останется рекорд самой тяжелой антиматерии в течении нескольких следующих десятилетий".

          Антигелий - это самый тяжелый вид антиматерии созданный на сегодняшний день учеными: частица этого вещества, примерно в 10 миллионов миллиардов раз легче песчинки. Антилитий - следующая стабильная частица, которая обладает стабильностью, но чтобы образовалась хотя бы одна такая частица, Брукхейвенский коллайдер должен работать в течении нескольких тысяч лет.

          Это из сообщения на сайте http://globalscience.ru/article/read/19334/
          Ответить
          • PavelS > prometey21 | 23.08.2015 | 02:50 Ответить
            Всё вполне правдоподобно. В отличие от вашего замечания про звёзды и термоядерные взрывы.
            Ответить
            • prometey21 > PavelS | 23.08.2015 | 11:30 Ответить
              Мы не знаем точно, какие частицы рождались в 50 Мегатонном взрыве над Новой Землей! А в астрофизике кандидатом на мощные процессы с антилитием может быть так называемый Gamma Ray Burst!!!
              Ответить
    • PavelS > torque_xtr | 22.08.2015 | 01:38 Ответить
      Способов пока что не видно. Тяжелые ядра "плохо" связаны, их легко разломать на гелий и ещё что-то. И маловероятно что возникнет сгусток ядерной материи одного знака так чтобы он был достаточно холодным и не разваливался сам собой.

      Учитывая, что способов вообще не видно, не ясно и какие тут трудности преодолевать. На уровне фантазий можно брать антидейтерий и с ним запускать термоядерные реакции... но это очень, очень далёкая перспектива. Начать с того, чтобы получать сам антидейтерий и научиться запускать термоядерные реакции с обычным дейтерием.
      Ответить
      • tetrapack > PavelS | 23.08.2015 | 09:07 Ответить
        Наверное вы имели в виду аннигиляцию под "термоядерной реакцией антидейтерия с дейтерием"?
        Ответить
      • pacha > PavelS | 22.10.2015 | 15:08 Ответить
        Наработать антиводорода на массивную антизвезду, дождаться в безопасном удалении, когда она взорвётся сверхновой, и вернуться за кусками тяжёлых антиэлементов :)
        Ответить
  • pacha  | 19.10.2015 | 16:17 Ответить
    А вот такой соображение. При рождении антиядер из кварк-глюонной плазмы фактически происходит тот же процесс, что и при первичном нуклеосинтезе в момент Большого взрыва. Причем антиядра, в отличие от ядер, легко отделить от фона и посчитать. Исходя из этого соображения, пропорция видов получаемых в эксперименте антиядер и пропорция первичных ядер в наблюдаемой Вселенной по идее должны коррелировать (естественно, с учётом того, что первичный тритий уже давно превратился в гелий-3).

    Интересно, так ли это?
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»