Тесты антиматерии на нарушение Лоренца
Эксперименты по проверке фундаментальных положений физики

Высокоточные эксперименты могут обнаружить небольшие, ранее не наблюдавшиеся различия в поведении материи и антиматерии. Эта перспектива привлекательна для физиков, поскольку она может показать, что природа не является симметричной по Лоренцу.

Введение

Обычная материя состоит из протонов, электронов и нейтронов. Квантовое поведение этих частиц можно предсказать с превосходной точностью с помощью уравнения Дирака , названного в честь П. А. М. Дирака . Одним из триумфов уравнения Дирака является предсказание им существования частиц антиматерии. Антипротоны , позитроны и антинейтроны теперь хорошо изучены и могут быть созданы и изучены в экспериментах.

Высокоточные эксперименты не смогли обнаружить никакой разницы между массами частиц и массами соответствующих античастиц . Они также не смогли обнаружить никакой разницы между величинами зарядов или между временами жизни частиц и античастиц. Эти симметрии массы, заряда и времени жизни требуются во вселенной с лоренцевой и CPT-симметрией , но это лишь небольшое число свойств, которые должны совпадать, если вселенная является лоренцевой и CPT-симметричной.

Расширение Стандартной Модели ( SME ), всеобъемлющая теоретическая основа для нарушения Лоренца и CPT, делает конкретные предсказания о том, как частицы и античастицы будут вести себя по-разному во Вселенной, которая очень близка к симметрии Лоренца, но не в точности к ней. [1] [2] [3] В общих чертах SME можно представить как конструкцию из фиксированных фоновых полей, которые слабо, но по-разному взаимодействуют с частицами и античастицами.

Различия в поведении материи и антиматерии специфичны для каждого отдельного эксперимента. Факторы, определяющие поведение, включают виды задействованных частиц, электромагнитные, гравитационные и ядерные поля, управляющие системой. Кроме того, для любого эксперимента, связанного с Землей, вращательное и орбитальное движение Земли имеет важное значение, что приводит к сидерическим и сезонным сигналам. Для экспериментов, проводимых в космосе, орбитальное движение корабля является важным фактором в определении сигналов нарушения Лоренца , которые могут возникнуть. Чтобы использовать предсказательную силу SME в любой конкретной системе, необходимо выполнить расчет, чтобы можно было учесть все эти факторы. Эти расчеты облегчаются разумным предположением, что нарушения Лоренца, если они существуют, малы. Это позволяет использовать теорию возмущений для получения результатов, которые в противном случае было бы крайне трудно найти.

SME генерирует модифицированное уравнение Дирака , которое нарушает симметрию Лоренца для некоторых типов движения частиц, но не для других. Поэтому оно содержит важную информацию о том, как нарушения Лоренца могли быть скрыты в прошлых экспериментах или могут быть обнаружены в будущих.

Тесты на нарушение закона Лоренца с ловушками Пеннинга

Ловушка Пеннинга — это исследовательский аппарат, способный захватывать отдельные заряженные частицы и их антивещественные аналоги. Механизм захвата — это сильное магнитное поле, которое удерживает частицы вблизи центральной оси, и электрическое поле, которое разворачивает частицы, когда они слишком далеко отклонились вдоль оси. Частоты движения захваченной частицы можно контролировать и измерять с поразительной точностью. Одной из таких частот является аномальная частота, которая сыграла важную роль в измерении гиромагнитного отношения электрона (см. гиромагнитное отношение § гиромагнитное отношение для изолированного электрона ).

Первые расчеты эффектов SME в ловушках Пеннинга были опубликованы в 1997 и 1998 годах. [4] [5] Они показали, что в идентичных ловушках Пеннинга, если аномальная частота электрона увеличивается , то аномальная частота позитрона уменьшается . Размер увеличения или уменьшения частоты будет мерой силы одного из фоновых полей SME . Более конкретно, это мера компонента фонового поля вдоль направления аксиального магнитного поля.

При проверке симметрии Лоренца необходимо учитывать неинерциальную природу лаборатории из-за вращательного и орбитального движения Земли. Каждое измерение ловушки Пеннинга представляет собой проекцию фоновых полей SME вдоль оси экспериментального магнитного поля во время эксперимента. Это еще больше усложняется, если для проведения эксперимента требуются часы, дни или больше.

Один из подходов заключается в поиске мгновенных различий путем сравнения частот аномалий для частицы и античастицы, измеренных в одно и то же время в разные дни. Другой подход заключается в поиске звездных вариаций путем непрерывного мониторинга частоты аномалий только для одного вида частиц в течение длительного времени. Каждый из них предлагает разные проблемы. Например, мгновенные сравнения требуют, чтобы электрическое поле в ловушке было точно обращено, в то время как звездные тесты ограничены стабильностью магнитного поля.

Эксперимент, проведенный физиком Джеральдом Габриэлсом из Гарвардского университета, включал две частицы, заключенные в ловушку Пеннинга . Идея состояла в том, чтобы сравнить протон и антипротон, но для преодоления технических сложностей наличия противоположных зарядов вместо протона использовался отрицательно заряженный ион водорода. Ион, два электрона, электростатически связанных с протоном , и антипротон имеют одинаковый заряд и поэтому могут быть одновременно захвачены. Такая конструкция позволяет быстро менять протон и антипротон, и поэтому можно выполнить тест Лоренца мгновенного типа. Циклотронные частоты двух захваченных частиц составляли около 90 МГц, и аппарат был способен разрешать различия в них около 1,0 Гц. Отсутствие эффектов нарушения Лоренца такого типа накладывало ограничение на комбинации коэффициентов SME типа , которые не были доступны в других экспериментах. Результаты [6] были опубликованы в Physical Review Letters в 1999 году. с {\displaystyle с}

Группа Пеннинг-ловушки в Университете Вашингтона , возглавляемая лауреатом Нобелевской премии Гансом Демельтом , провела поиск сидерических вариаций в аномальной частоте захваченного электрона. Результаты были извлечены из эксперимента, который продолжался несколько недель, и анализ требовал разделения данных на «ячейки» в соответствии с ориентацией аппарата в инерциальной системе отсчета Солнца. При разрешении 0,20 Гц они не смогли различить никаких сидерических вариаций в аномальной частоте, которая составляет около 185 000 000 Гц. Переводя это в верхнюю границу соответствующего фонового поля SME , накладываем ограничение около 10 −24 ГэВ на электронный коэффициент типа . Эта работа [7] была опубликована в Physical Review Letters в 1999 году. б {\displaystyle б}

Другой экспериментальный результат группы Демельта включал сравнение мгновенного типа. Используя данные от одного захваченного электрона и одного захваченного позитрона, они снова не обнаружили никакой разницы между двумя частотами аномалии при разрешении около 0,2 Гц. Этот результат установил границу для более простой комбинации коэффициентов -типа на уровне около 10−24 ГэВ . Помимо того, что это ограничение на нарушение Лоренца , это также ограничивает нарушение CPT. Этот результат [8] появился в Physical Review Letters в 1999 году. б {\displaystyle б}

Нарушение Лоренца в антиводороде

Атом антиводорода — это антиматерия, аналог атома водорода. Он имеет отрицательно заряженный антипротон в ядре, который притягивает положительно заряженный позитрон, вращающийся вокруг него.

Спектральные линии водорода имеют частоты, определяемые разницей энергий между квантово-механическими орбитальными состояниями электрона. Эти линии были изучены в тысячах спектроскопических экспериментов и изучены очень подробно. Ожидается, что квантовая механика позитрона, вращающегося вокруг антипротона в атоме антиводорода, будет очень похожа на квантовую механику атома водорода. Фактически, традиционная физика предсказывает, что спектр антиводорода идентичен спектру обычного водорода.

При наличии фоновых полей SME спектры водорода и антиводорода, как ожидается, покажут крошечные различия в некоторых линиях и отсутствие различий в других. Расчеты этих эффектов SME в антиводороде и водороде были опубликованы [9] в Physical Review Letters в 1999 году. Одним из основных полученных результатов является то, что сверхтонкие переходы чувствительны к эффектам нарушения Лоренца.

Несколько экспериментальных групп в ЦЕРНе работают над получением антиводорода: AEGIS , ALPHA , ASACUSA , ATRAP и GBAR .

Создание захваченного антиводорода в достаточных количествах для проведения спектроскопии является огромной экспериментальной задачей. Признаки нарушения Лоренца аналогичны ожидаемым в ловушках Пеннинга. Будут иметь место звездные эффекты, вызывающие изменения в спектральных частотах, поскольку экспериментальная лаборатория вращается вместе с Землей. Также будет возможность обнаружения мгновенных сигналов нарушения Лоренца, когда спектры антиводорода сравниваются напрямую с обычными спектрами водорода

В октябре 2017 года эксперимент BASE в ЦЕРНе сообщил об измерении магнитного момента антипротона с точностью 1,5 части на миллиард. [10] [11] Это согласуется с самым точным измерением магнитного момента протона (также выполненным BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу симметрии CPT . Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антиматерии известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.

Нарушение Лоренца с мюонами

Мюон и его положительно заряженная античастица использовались для проведения тестов симметрии Лоренца. Поскольку время жизни мюона составляет всего несколько микросекунд, эксперименты существенно отличаются от экспериментов с электронами и позитронами. Расчеты для экспериментов с мюонами , направленных на исследование нарушения Лоренца в SME, были впервые опубликованы в 2000 году. [12]

В 2001 году Хьюз и его коллеги опубликовали результаты поиска звездных сигналов в спектре мюония, атома , состоящего из электрона, связанного с отрицательно заряженным мюоном. Их данные, полученные за двухлетний период, не показали никаких доказательств нарушения Лоренца . Это наложило строгое ограничение на комбинацию коэффициентов типа - в SME , опубликованном в Physical Review Letters. [13] б {\displaystyle б}

В 2008 году Muon Collaboration в Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовала результаты поиска сигналов нарушения Лоренца с мюонами и антимюонами. В одном типе анализа они сравнили аномальные частоты для мюона и его античастицы. В другом они искали звездные вариации, распределяя свои данные по одночасовым «ячейкам» в соответствии с ориентацией Земли относительно инерциальной системы отсчета с центром на Солнце. Их результаты, опубликованные в Physical Review Letters в 2008 году, [14] не показывают никаких признаков нарушения Лоренца при разрешении эксперимента в Брукхейвене. г − 2 {\displaystyle g-2}

Экспериментальные результаты во всех секторах МСП обобщены в таблицах данных для нарушений Лоренца и CPT. [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Колладей, Д.; Костелецкий, ВА (1997). «Нарушение CPT и Стандартная модель». Physical Review D. 55 ( 11): 6760–6774. arXiv : hep-ph/9703464 . Bibcode : 1997PhRvD..55.6760C. doi : 10.1103/PhysRevD.55.6760. S2CID  7651433.
  2. ^ Колладей, Д.; Костелецкий, ВА (1998). "Расширение Стандартной модели, нарушающее закон Лоренца". Physical Review D. 58 ( 11): 116002. arXiv : hep-ph/9809521 . Bibcode : 1998PhRvD..58k6002C. doi : 10.1103/PhysRevD.58.116002. S2CID  4013391.
  3. ^ Костелецкий, ВА (2004). «Гравитация, нарушение Лоренца и Стандартная модель». Physical Review D. 69 ( 10): 105009. arXiv : hep-th/0312310 . Bibcode : 2004PhRvD..69j5009K. doi : 10.1103/PhysRevD.69.105009. S2CID  55185765.
  4. ^ Bluhm, R.; Kostelecky, VA; Russell, N. (1997). «Тестирование CPT с аномальными магнитными моментами». Physical Review Letters . 79 (8): 1432–1435. arXiv : hep-ph/9707364 . Bibcode : 1997PhRvL..79.1432B. doi : 10.1103/PhysRevLett.79.1432. S2CID  119048753.
  5. ^ Bluhm, R.; Kostelecky, VA; Russell, N. (1998). «CPT и тесты Лоренца в ловушках Пеннинга». Physical Review D. 57 ( 7): 3932–3943. arXiv : hep-ph/9809543 . Bibcode : 1998PhRvD..57.3932B. doi : 10.1103/PhysRevD.57.3932. S2CID  958994.
  6. ^ Габриэльс, Г.; Хаббаз, А.; Холл, Д.С.; Хейманн, К.; Калиновски, Х.; Дж.Хе, В. (19 апреля 1999 г.). «Прецизионная масс-спектроскопия антипротона и протона с использованием одновременно захваченных частиц». Physical Review Letters . 82 (16). Американское физическое общество (APS): 3198–3201. Bibcode : 1999PhRvL..82.3198G. doi : 10.1103/physrevlett.82.3198. ISSN  0031-9007.
  7. ^ Mittleman, RK; Ioannou, II; Dehmelt, HG; Russell, Neil (13 сентября 1999 г.). «Связанные с CPT и симметрией Лоренца с захваченным электроном». Physical Review Letters . 83 (11). Американское физическое общество (APS): 2116–2119. Bibcode : 1999PhRvL..83.2116M. doi : 10.1103/physrevlett.83.2116. ISSN  0031-9007.
  8. ^ Dehmelt, H.; Mittleman, R.; Van Dyck, RS; Schwinberg, P. (6 декабря 1999 г.). "Past Electron-Positrong−2 Experiments Yielded Sharpest Bound onCPTVoliation for Point Particles". Physical Review Letters . 83 (23): 4694–4696. arXiv : hep-ph/9906262 . Bibcode :1999PhRvL..83.4694D. doi :10.1103/physrevlett.83.4694. ISSN  0031-9007. S2CID  116195114.
  9. ^ Bluhm, R.; Kostelecky, VA; Russell, N. (1999). «CPT и тесты Лоренца в водороде и антиводороде». Physical Review Letters . 82 (11): 2254–2257. arXiv : hep-ph/9810269 . Bibcode : 1999PhRvL..82.2254B. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.2254. S2CID  10398057.
  10. ^ Адамсон, Аллан (19 октября 2017 г.). «Вселенная не должна существовать на самом деле: Большой взрыв произвел равные количества материи и антиматерии». TechTimes.com . Получено 26 октября 2017 г.
  11. ^ Smorra C.; et al. (20 октября 2017 г.). «Измерение магнитного момента антипротона в частях на миллиард». Nature . 550 (7676): 371–374. Bibcode :2017Natur.550..371S. doi : 10.1038/nature24048 . PMID  29052625.
  12. ^ Bluhm, R.; Kostelecky, VA; Lane, C. (2000). «CPT и тесты Лоренца с мюонами». Physical Review Letters . 84 (6): 1098–1101. arXiv : hep-ph/9912451 . Bibcode : 2000PhRvL..84.1098B. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.1098. PMID  11017453. S2CID  11593326.
  13. ^ VW Hughes и др. (2001). «Проверка CPT и Лоренц-инвариантности с помощью мюониевой спектроскопии», Phys. Rev. Lett. 87, 111804 (2001)». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  14. ^ GW Bennett; et al. (BNL g-2 collaboration) (2008). "Search for Lorentz and CPT Violation Effects in Muon Spin Precession". Physical Review Letters . 100 (9): 091602. arXiv : 0709.4670 . Bibcode :2008PhRvL.100i1602B. doi :10.1103/PhysRevLett.100.091602. PMID  18352695. S2CID  26270066.
  15. ^ Костелецкий, ВА; Рассел, Н. (2010). «Таблицы данных для Лоренца и нарушения CPT». Reviews of Modern Physics . 83 (1): 11–31. arXiv : 0801.0287 . Bibcode :2011RvMP...83...11K. doi :10.1103/RevModPhys.83.11. S2CID  3236027.
  • Справочная информация о нарушении Лоренца и КПП
  • Таблицы данных для нарушения Лоренца и CPT
  • Эксперимент AEGIS
  • Эксперимент АЛЬФА
  • Эксперимент ASACUSA
  • Эксперимент ATRAP
  • Мюон g − 2 {\displaystyle g-2} Эксперимент
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Испытания_антиматерии_нарушения_Лоренца&oldid=1149353890"