Сотрудники коллаборации ASACUSA рассчитали отношение масс антипротона и электрона. Задача об оценке массы антипротона представляет большой интерес как для экспериментаторов, придумывающих новые методики измерений, так и для теоретиков, которые хотят сравнить параметры протона и его античастицы на высоком уровне точности. От результатов сравнения зависит судьба фундаментальной СРТ-теоремы, согласно которой уравнения любой локальной квантовой теории поля не должны изменять свой вид при зарядовом сопряжении (замене частиц античастицами), пространственной инверсии и обращении времени. Из теоремы, в частности, следует, что массы и времена жизни частицы и её античастицы тождественно равны, а их заряды и магнитные моменты различаются только знаком; если кому-то удастся опровергнуть хотя бы одно из этих утверждений, всей современной теоретической физике будет нанесён сильный удар.
Часть установки ASACUSA
Эксперимент ASACUSA ориентирован на лазерную спектроскопию метастабильных антипротонных атомов гелия рНе+. Для того чтобы получить рНе+, учёные направляют антипротоны с установленного в лаборатории Европейской организации по ядерным исследованиям накопителя Antiproton Decelerator на гелиевую мишень. В результате у части атомов гелия место одного «родного» электрона занимает р.
Образовавшиеся антипротонные атомы гелия изначально находятся в высоковозбуждённых состояниях с главным квантовым числом n ≈ 38. Это позволяет заселять состояния с большими значениями орбитального момента, определяемого квантовым числом l = 0, 1, 2, … , n – 1 и характеризующего форму орбиты: состояния с l = n – 1 отвечают круговым орбитам, а с l < n – 1 — эллиптическим, «вытянутость» которых увеличивается по мере уменьшения l. Поскольку антипротон, движущийся по вытянутой орбите, обязательно окажется вблизи ядра, где его ждёт неминуемая аннигиляция, в интересующем нас метастабильном случае он должен выбирать орбиту с большим l, близким к n – 1 ≈ 37.
Схемы атома антипротонного гелия и переходов между энергетическими состояниями. Чёрным обозначены длины волн (в нанометрах), отвечающие переходам из состояний (n, l) в (n – 1, l – 1). (Иллюстрация из статьи «Лазерная спектроскопия экзотических атомов», опубликованной в «Соросовском образовательном журнале»).
Если у атомов наибольшую вероятность имеют переходы с максимально возможным изменением главного квантового числа, то у рНе+ более вероятны переходы типа (n, l) ↔ (n – 1, l – 1). При исследовании по методике лазерной спектроскопии подобные переходы инициируются импульсом излучения, антипротон практически мгновенно аннигилирует, а детектор регистрирует продукты аннигиляции — пионы. Подстраивая длину волны излучения, физики определяют точные энергии переходов и используют собранную информацию для вычисления отношения масс антипротона и электрона.
Проблема заключается в том, что тепловое движение атомов рНе+ и проявляющееся вследствие этого доплеровское уширение сильно ограничивают точность оценки длины волны, соответствующей тому или иному переходу. Авторы новой работы попробовали минимизировать отрицательный эффект, воздействуя на антипротонный гелий двумя лазерными пучками, которые распространялись в противоположных направлениях. Это возбуждало двухфотонные переходы вида (n, l) ↔ (n – 2, l – 2) и действительно позволило уменьшить ширину спектральных линий.
Получив точные данные, участники ASACUSA вычислили соотношение масс антипротона и электрона, которое теперь можно считать равным 1 836,152 673 6(23). Открыть «новую» физику им пока не удалось: указанное значение хорошо согласуется с известным отношением масс протона и электрона.