Тестирование антивещества на нарушение Лоренца - Antimatter tests of Lorentz violation

Высокоточные эксперименты могут выявить небольшие ранее невидимые различия между поведением материи и антивещества. Эта перспектива привлекает физиков, поскольку может показать, что природа не является лоренц-симметричной.

Вступление

Обычная материя состоит из протонов, электронов и нейтронов. Квантовое поведение этих частиц можно предсказать с превосходной точностью, используя Уравнение Дирака, названный в честь P.A.M. Дирак.Одним из успехов уравнения Дирака является его предсказание существования частиц антивещества.Антипротоны, позитроны, и антинейтроны теперь хорошо изучены и могут быть созданы и изучены в экспериментах.

Эксперименты с высокой точностью не смогли обнаружить никакой разницы между массами частиц и массами соответствующих частиц. античастицы Они также не смогли обнаружить никакой разницы между величинами зарядов или временем жизни частиц и античастиц. Эти симметрии массы, заряда и времени жизни необходимы в симметричной Вселенной по Лоренцеву и CPT, но составляют лишь небольшую часть свойства, которые должны совпадать, если вселенная симметрична по Лоренцу и CPT.

В Расширение стандартной модели (МСП ), всеобъемлющая теоретическая основа для нарушения Лоренца и CPT, делает конкретные предсказания о том, как частицы и античастицы будут вести себя по-разному в вселенной, которая очень близка к лоренцевой, но не совсем симметричной.[1][2][3]Говоря простым языком, МСП можно представить себе как построенное из фиксированных фоновых полей, которые слабо, но по-разному взаимодействуют с частицами и античастицами.

Поведенческие различия между материей и антиматерией специфичны для каждого отдельного эксперимента. Факторы, определяющие поведение, включают виды вовлеченных частиц, электромагнитные, гравитационные и ядерные поля, управляющие системой. Кроме того, для любого эксперимента, связанного с Землей, вращательное и орбитальное движение объекта. Земля важна, так как она дает звездные и сезонные сигналы. Для экспериментов, проводимых в космосе, орбитальное движение корабля является важным фактором в определении сигналов. Нарушение Лоренца которые могут возникнуть. Чтобы использовать предсказательную силу МСП В любой конкретной системе необходимо выполнить расчет, чтобы учесть все эти факторы. Эти вычисления облегчаются разумным предположением, что отклонения Лоренца, если они существуют, являются небольшими. Это позволяет использовать теорию возмущений для получения результатов, которые иначе было бы чрезвычайно трудно найти.

В МСП генерирует измененный Уравнение Дирака который нарушает симметрию Лоренца для некоторых типов движения частиц, но не для других, поэтому содержит важную информацию о том, как Нарушения Лоренца могли быть скрыты в прошлых экспериментах или могут быть раскрыты в будущих.

Тесты на нарушение Лоренца с ловушками Пеннинга

Ловушка Пеннинга - это исследовательский аппарат, способный улавливать отдельные заряженные частицы и их аналоги из антивещества. Механизм захвата - это сильное магнитное поле, которое удерживает частицы около центральной оси, и электрическое поле, которое поворачивает частицы, когда они уходят слишком далеко вдоль оси. частоты захваченной частицы могут отслеживаться и измеряться с удивительной точностью. Одной из этих частот является частота аномалии, которая сыграла важную роль в измерении гиромагнитное отношение электрона (см. гиромагнитное отношение § гиромагнитное отношение для изолированного электрона ).

Первые расчеты МСП эффекты в Ловушки Пеннинга были опубликованы в 1997 и 1998 годах.[4][5]Они показали, что в идентичных ловушках Пеннинга, если аномальная частота электрон была увеличена, то частота аномалии позитрон Величина увеличения или уменьшения частоты будет мерой силы одного из МСП фоновые поля, точнее говоря, это мера составляющей фонового поля вдоль направления аксиального магнитного поля.

При проверке симметрии Лоренца необходимо учитывать неинерциальный характер лаборатории из-за вращательного и орбитального движения Земли. Каждое измерение ловушки Пеннинга является проекцией фона. МСП поля вдоль оси экспериментального магнитного поля во время эксперимента. Это еще больше усложняется, если на выполнение эксперимента уходит часы, дни или больше.

Один подход 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 - в поиске реальных вариаций путем непрерывного мониторинга частоты аномалий только для одного вида частиц в течение длительного времени. Например, мгновенные сравнения требуют, чтобы электрическое поле в ловушке было точно обращено на противоположное, в то время как звездные испытания ограничены стабильностью магнитного поля.

В эксперименте, проведенном физиком Джеральдом Габриэлсом из Гарвардского университета, участвовали две частицы, заключенные в Ловушка Пеннинга. Идея заключалась в том, чтобы сравнить протон и антипротон, но для преодоления технических особенностей наличия противоположных зарядов вместо протона был использован отрицательно заряженный ион водорода. Ион, два электрона связаны электростатически с протон, и антипротон имеют одинаковый заряд и поэтому могут быть одновременно захвачены. Такая конструкция позволяет быстро обмениваться протоном и антипротоном, что позволяет проводить мгновенный тест Лоренца. Циклотронные частоты двух захваченных частиц составляли около 90 МГц, и прибор был способен разрешить различия в этих частотах около 1,0 Гц. Отсутствие нарушающих Лоренца эффектов этого типа накладывает ограничения на комбинации -типа коэффициенты SME которые не были доступны в других экспериментах. Результаты, достижения[6]появилась в Physical Review Letters в 1999 году.

Группа ловушек Пеннинга на Вашингтонский университет во главе с лауреатом Нобелевской премии Ганс Демельт, провел поиск звездных вариаций частоты аномалии захваченного электрона. Результаты были извлечены из эксперимента, который длился несколько недель, и для анализа потребовалось разбить данные на «бины» в соответствии с ориентацией устройства в инерциальной системе отсчета Солнца. При разрешении 0,20 Гц они не смогли различить какие-либо звездные изменения в частоте аномалии, которая составляет около 185 000 000 Гц. Переводя это в верхнюю границу соответствующегоМСП фоновое поле, ограничивает около 10−24 ГэВ на электронный коэффициент.Эта работа[7]был опубликован в Physical Review Letters в 1999 году.

Другой экспериментальный результат группы Демельта включал сравнение мгновенного типа. Используя данные одного захваченного электрона и одного захваченного позитрона, они снова не обнаружили разницы между двумя аномальными частотами при разрешении около 0,2 Гц. Этот результат ограничил более простую комбинациюкоэффициенты типа на уровне около 10−24 ГэВ. Помимо ограничения на Нарушение Лоренца, это также ограничивает нарушение CPT.[8]появилась в Physical Review Letters в 1999 году.

Нарушение Лоренца в антиводороде

Атом антиводорода является аналогом атома водорода из антивещества. У него есть отрицательно заряженный антипротон на ядре, который притягивает положительно заряженный позитрон, вращающийся вокруг него.

Спектральные линии водорода имеют частоты, определяемые разностью 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 быть очень похожим на спектр атома водорода. Фактически, традиционная физика предсказывает, что спектр антиводорода идентичен спектру обычного водорода.

При наличии фоновых полей МСП, ожидается, что спектры водорода и антиводорода будут иметь крошечные различия в одних линиях и без разницы в других. МСП эффекты антиводорода и водорода были опубликованы[9]в Physical Review Letters в 1999 г. Один из основных обнаруженных результатов - сверхтонкие переходы чувствительны к эффектам нарушения Лоренца.

Несколько экспериментальных групп на ЦЕРН работают над производством антиводорода: AEGIS, АЛЬФА, ASACUSA, ЛОВУШКА, и ГБАР.

Создание захваченного антиводорода в количестве, достаточном для проведения спектроскопии, представляет собой огромную экспериментальную задачу. Нарушение Лоренца аналогичны тем, которые ожидаются в ловушках Пеннинга. будут наблюдаться побочные эффекты, вызывающие изменения спектральных частот, когда экспериментальная лаборатория поворачивается вместе с Землей. Также будет возможность обнаружения мгновенных сигналов нарушения Лоренца при прямом сравнении спектров антиводорода с обычными спектрами водорода.

В октябре 2017 г. БАЗОВЫЙ эксперимент в ЦЕРН сообщил об измерении антипротон магнитный момент с точностью до 1,5 частей на миллиард.[10][11] Это соответствует наиболее точному измерению протон магнитный момент (также сделанный BASE в 2014 г.), что подтверждает гипотезу Симметрия CPT. Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антивещества известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.

Нарушение Лоренца с мюонами

В мюон и его положительно заряженная античастица использовалась для проверки симметрии Лоренца. мюон составляет всего несколько микросекунд, эксперименты сильно отличаются от экспериментов с электронами и позитронами. мюон эксперименты, направленные на зондирование Нарушение Лоренца в МСП были впервые опубликованы в 2000 году.[12]

В 2001 году Хьюз и его сотрудники опубликовали свои результаты поиска звездных сигналов в спектре мюония. атом состоящий из электрона, связанного с отрицательно заряженным мюоном. их данные, полученные за двухлетний период, не показали никаких доказательств того, что Нарушение Лоренца Это наложило жесткое ограничение на комбинацию коэффициенты типа в МСП, опубликовано в Physical Review Letters.[13]

В 2008 году мюон Сотрудничество на Брукхейвенская национальная лаборатория опубликовал результаты после поиска сигналов Нарушение Лоренца с мюонами и антимюонами. В одном из типов анализа они сравнивали частоты аномалий для мюона и его античастицы. В другом они искали звездные вариации, распределяя свои данные по часовым «ячейкам» в соответствии с ориентацией Земли относительно инерциальной системы отсчета, центрированной по Солнцу. Их результаты, опубликованные в Physical Review Letters в 2008 году,[14]не показывать подписи Нарушение Лоренца при разрешении эксперимента в Брукхейвене.

Результаты экспериментов во всех секторахМСП приведены в таблицах данных для нарушений Лоренца и CPT.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Colladay, D .; Костелецкий, В.А. (1997). «Нарушение ЕКПП и стандартная модель». Физический обзор D. 55 (11): 6760–6774. arXiv:hep-ph / 9703464. Bibcode:1997ПхРвД..55.6760С. Дои:10.1103 / PhysRevD.55.6760.
  2. ^ Colladay, D .; Костелецкий, В.А. (1998). "Лоренц-инвариантное расширение стандартной модели". Физический обзор D. 58 (11): 116002. arXiv:hep-ph / 9809521. Bibcode:1998ПхРвД..58к6002С. Дои:10.1103 / PhysRevD.58.116002.
  3. ^ Костелецкий, В.А. (2004). «Гравитация, нарушение Лоренца и стандартная модель». Физический обзор D. 69 (10): 105009. arXiv:hep-th / 0312310. Bibcode:2004ПхРвД..69дж5009К. Дои:10.1103 / PhysRevD.69.105009.
  4. ^ Bluhm, R .; Костелецкий, В.А .; Рассел, Н. (1997). «Проверка CPT с аномальными магнитными моментами». Письма с физическими проверками. 79 (8): 1432–1435. arXiv:hep-ph / 9707364. Bibcode:1997ПхРвЛ..79.1432Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.79.1432.
  5. ^ Bluhm, R .; Костелецкий, В.А .; Рассел, Н. (1998). «Тесты CPT и Лоренца в ловушках Пеннинга». Физический обзор D. 57 (7): 3932–3943. arXiv:hep-ph / 9809543. Bibcode:1998ПхРвД..57.3932Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.57.3932.
  6. ^ Gabrielse, G .; Хаббаз, А .; Холл, Д. С .; Heimann, C .; Калиновский, H .; Jhe, W. (19 апреля 1999 г.). «Прецизионная масс-спектроскопия антипротона и протона с использованием одновременно захваченных частиц». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 82 (16): 3198–3201. Bibcode:1999ПхРвЛ..82.3198Г. Дои:10.1103 / Physrevlett.82.3198. ISSN  0031-9007.
  7. ^ Mittleman, R.K .; Иоанну, I. I .; Dehmelt, H.G .; Рассел, Нил (13 сентября 1999 г.). «Связанная на CPT и симметрия Лоренца с захваченным электроном». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 83 (11): 2116–2119. Дои:10.1103 / Physrevlett.83.2116. ISSN  0031-9007.
  8. ^ Dehmelt, H .; Mittleman, R .; Van Dyck, R. S .; Швинберг, П. (6 декабря 1999 г.). «Прошлые эксперименты с электронно-позитронг-2 позволили установить наиболее четкую границу нарушения CPTV для точечных частиц». Письма с физическими проверками. 83 (23): 4694–4696. arXiv:hep-ph / 9906262. Bibcode:1999ПхРвЛ..83.4694Д. Дои:10.1103 / Physrevlett.83.4694. ISSN  0031-9007.
  9. ^ Bluhm, R .; Костелецкий, В.А .; Рассел, Н. (1999). «Тесты CPT и Лоренца в водороде и антиводороде». Письма с физическими проверками. 82 (11): 2254–2257. arXiv:hep-ph / 9810269. Bibcode:1999ПхРвЛ..82.2254Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.82.2254.
  10. ^ Адамсон, Аллан (19 октября 2017 г.). «Вселенная на самом деле не должна существовать: Большой взрыв произвел равное количество материи и антиматерии». TechTimes.com. Получено 26 октября 2017.
  11. ^ Smorra C .; и другие. (20 октября 2017 г.). «Измерение миллионных долей магнитного момента антипротона». Природа. 550 (7676): 371–374. Bibcode:2017Натура.550..371С. Дои:10.1038 / природа24048. PMID  29052625.
  12. ^ Bluhm, R .; Костелецкий, В.А .; Лейн, С. (2000). «Тесты КПН и Лоренца с мюонами». Письма с физическими проверками. 84 (6): 1098–1101. arXiv:hep-ph / 9912451. Bibcode:2000ПхРвЛ..84.1098Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.1098.
  13. ^ В.В. Хьюз; и другие. (2001). "Проверка CPT и лоренц-инвариантности с помощью мюониевой спектроскопии, Phys. Rev. Lett. 87, 111804 (2001)". Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ G.W. Беннетт; и другие. (Коллаборация BNL g-2) (2008). «Поиск эффектов нарушения Лоренца и CPT в прецессии спина мюонов». Письма с физическими проверками. 100 (9): 091602. arXiv:0709.4670. Bibcode:2008PhRvL.100i1602B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.091602. PMID  18352695.
  15. ^ Костелецкий, В.А .; Рассел, Н. (2010). «Таблицы данных для нарушений Лоренца и CPT». Обзоры современной физики. 83 (1): 11–31. arXiv:0801.0287. Bibcode:2011RvMP ... 83 ... 11K. Дои:10.1103 / RevModPhys.83.11.

внешняя ссылка