Опыты с антиматерией заставили ученых сомневаться в существовании Вселенной
18.10.2017

Так художник представил себе стокновение сверхмалых частиц

МОСКВА, 18 окт – РИА Новости. Физики из ЦЕРН провели сверхточные замеры магнитного момента антипротона и не нашли никаких различий между свойствами материи и антиматерии, что сделало тайну пропажи антиматерии и существования Вселенной еще более загадочной, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Все наши замеры указывают на то, что материя и антиматерия обладают абсолютно идентичными свойствами. Иными словами, Вселенная просто не должна существовать, но реальность говорит об обратном. Соответственно, нужные нам различия где-то должны существовать, но мы сейчас просто не понимаем, где их нужно искать. Возникает вопрос — что нарушило симметрию свойств материи?", — заявил Кристиан Сморра (Christian Smorra), физик из Института RIKEN в Сайтаме (Япония).

Как сегодня считают ученые, в первые мгновения после Большого взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. При этом Стандартная модель физики говорит о том, что свойства частиц антиматерии зеркально повторяют характеристики своих близнецов, за исключением заряда. Иначе говоря, химические и физические свойства атомов антиматерии и материи должны быть идентичными.

Так как материя и антиматерия аннигилируют при столкновении, во время рождения Вселенной их частицы должны были уничтожить друг друга, породив "море" гамма-квантов и нейтрино, не оставляя ничего, из чего могли бы возникнуть звезды, планеты и галактики. Поэтому возникает вопрос — куда "пропала" антиматерия и почему существует Вселенная.

Считается, что одна из причин "асимметрии материи" может заключаться в существовании небольших, но достаточно существенных различий в устройстве и свойствах частиц антиматерии. За последние годы физики нашли несколько намеков на то, что такие различия, например в массе протонов и антипротонов, все же существуют, однако их точное измерение затрудняется низкой точностью приборов и микроскопическими масштабами этой асимметрии.

Как правило, подобные замеры проводятся при помощи особого устройства, которое физики называют "ловушкой Пеннинга". Она представляет собой особую камеру, в которой ионы и частицы антиматерии удерживаются при помощи магнитных и электрических полей, которые заставляют их курсировать внутри ловушки по волнистой линии, закрученной в круг. Положение любой частицы в этом круге и на этой линии можно легко просчитать математическим путем, что заметно облегчает замеры ее свойств.

В поисках "новой физики"

Как рассказывает Сморра, ловушки Пеннинга позволяют проводить очень точные замеры, однако этой точности не хватает для полноценных поисков различий между материей и антиматерией – флуктуации магнитных полей, удерживающих частицы на одном месте, постепенно начинают вносить помехи в результаты экспериментов.

Сморра и его коллеги смогли преодолеть эту проблему и повысили точность замеров в 350 раз при помощи очень простого и остроумного приема – они использовали не одну, а две ловушки Пеннинга, одна из которых работала при комнатной температуре, а вторая – при почти абсолютном нуле.

Первая установка использовалась не для замеров свойств антипротонов, а для того, чтобы понять, как быстро частицы вращаются, взаимодействуя с магнитным полем ловушки Пеннинга. Эти данные были нужны ученым для того, чтобы "удалить" подобные помехи из замеров второй ловушки, куда параллельно запускался второй антипротон, и повышения скорости проведения измерений.

Благодаря подобным ухищрениям японским и немецким физикам, работавшим с частицами антиматерии в ЦЕРН, удалось выяснить, что магнитный момент антипротона – то, как сильно частица реагирует на внешние магнитные поля – совпадает с аналогичным значением для протона до 9 знака после запятой.

Как отмечают Сморра и его коллеги, точность этих замеров можно повысить еще примерно в 10 раз, однако уже сейчас можно говорить о том, что различия между материей и антиматерией вряд ли скрываются в еще меньших расхождениях в свойствах протонов и антипротонов. В подобном случае, предположительные свойства новорожденной Вселенной будут несовместимы с тем, что мы знаем о Большом Взрыве, что делает загадку пропажи антиматерии еще более интересной и непонятной, заключают физики.

Ученые: протоны могут быть полными "двойниками" антипротонов
12.08.2015

Эксперименты с антипротонами в стенах ЦЕРН показали что соотношение массы и заряда и прочие физические свойства протона и антипротона могут полностью совпадать. Это открытие заново ставит вопрос о том, почему Вселенная заполнена материей и практически лишена антиматерии.
МОСКВА, 12 авг – РИА Новости. Соотношение массы и заряда и прочие физические свойства протона и антипротона могут полностью совпадать, что заново ставит вопрос о том, почему Вселенная заполнена материей и практически лишена антиматерии, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Мы обнаружили, что соотношения массы и заряда для протона и антипротона равны друг другу с погрешностью, равной 69 частям на триллион. Подобная точность измерений в четыре раза выше, чем при предыдущих замерах свойств пары протон-антипротон, и она еще больше ограничивает вероятность того, что симметричность законов физики где-то нарушается", — заявил Штефан Ульмер (Stefan Ulmer) из института RIKEN в Сайтаме (Япония).

Как сегодня считают ученые, в первые мгновения после Большого взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. При этом Стандартная модель физики говорит о том, что свойства частиц антиматерии зеркально повторяют характеристики своих близнецов, за исключением заряда. Иначе говоря, химические и физические свойства атомов антиматерии и материи должны быть идентичными.

Так как материя и антиматерия аннигилируют при столкновении, во время рождения Вселенной их частицы должны были уничтожить друг друга. Поэтому возникает вопрос — куда "пропала" антиматерия и почему существует Вселенная.

Считается, что одна из причин "асимметрии материи" может заключаться в существовании небольших, но достаточно существенных различий в устройстве и свойствах частиц антиматерии. За последние годы физики нашли несколько намеков на то, что такие различия, например в массе протонов и антипротонов, все же существуют, однако их точное изменение затрудняется низкой точностью приборов и микроскопическими масштабами этой асимметрии.

Ульмер и его коллеги усомнились, что подобные различия на самом деле существуют, разработав новую методику измерения соотношения массы и заряда элементарных частиц и их "злых близнецов" в лице античастиц и использовав ее для уточнения этой пропорции для протона и антипротона.

Ее основой является особая ловушка из нескольких небольших электродов, захватывающая индивидуальные частицы материи и антиматерии и заставляющая их вращаться по кругу внутри особых электрических и магнитных полей. Скорость этого "бега по кругу" зависит от того, каким зарядом обладает изучаемая частица и от ее массы, что позволяет крайне точно измерить один из этих параметров, зная значение второго и частоту вращения.

Наблюдая за подобным движением свыше 6 тысяч протонов и антипротонов на протяжении более чем месяца, физики так и не смогли обнаружить различий в их соотношениях массы и заряда, что намекает на то, что нарушения в симметрии свойств этих частиц не существует.

В ближайшее время группа Ульмера планирует провести новую серию экспериментов, точность которых будет повышена сначала в 10, а потом и в 100 раз. Данные опыты, как надеются ученые, или подтвердят полученный результат и укажут на то направление, где нам следует искать новую физику за пределами Стандартной модели, или же позволят найти различия в свойствах частиц и античастиц.

Лекция Сергея Попова «Темное вещество: оно есть или его нет?»