05.06.2014 | Наука

Магнитный момент протона измерили с рекордной точностью

Один из неразгаданных парадоксов нашей реальности — это преобладание во Вселенной материи над антиматерией. Это феноменальное явление известно физикам как барионная асимметрия.

Оно не даёт покоя науке уже много лет. Считается, что оба типа вещества родились в равных количествах в момент Большого взрыва, но куда в таком случае делась львиная доля антиматерии?

Неудивительно, что ключ к разгадке лежит в свойствах субатомных частиц, которые постоянно и пристально изучаются в лабораториях по всему миру и даже в космосе.

В попытках найти ответ на волнующий вопрос о причинах преобладании вещества над антивеществом команда немецких физиков во главе с Клаусом Блаумом (Klaus Blaum) из Института ядерной физики общества Макса Планка решила максимально точно изменить магнетизм протона — субатомной частицы, входящей в состав ядра каждого атома. Точность измерения, эквивалентная трём частям на миллион, стала рекордной.

"Такой эксперимент необходимо было провести, так как разница в показателях у магнитного момента протона и антипротона выявила бы искомую асимметрию. Современное понимание физики подразумевает, однако, что эти две цифры должны быть равны", — рассказывает соавтор исследования Андреас Музер (Andreas Mooser) из университета Иоганна Гутенберга в Майнце.

Магнитный момент протона возникает из-за проявления фундаментальной квантовой характеристики любой частицы — спина. То есть протон ведёт себя как крошечный стержневой магнит с северным и южным полюсами. При помещении во внешнее магнитное поле спин протона может либо совпасть с ним, либо сориентироваться против него.

Исследователи измеряли магнитный момент протона, наблюдая как эта частица переключается между двумя этими состояниями, будучи уже во внешнем магнитном поле. Сначала протон был загнан в ловушку Пеннинга и подвергнут действию одного магнитного поля, которое заставило спин поменять направление. Потом частицу поместили во вторую ловушку Пеннинга с градиентом магнитного поля и измерили его мельчайшие колебания, чтобы определить положение его спина.

Отправляя протон назад и вперёд между ловушками на протяжении четырех месяцев, учёные смогли с рекордной точностью измерить частоту, на которой магнитное поле индуцирует смену направленности спина. Так они смогли точно вычислить магнитный момент частицы.

Показатель Блаума и его коллег, описанный в статье журнала Nature, оказался в 760 раз точнее, чем предыдущее прямое измерение, проведённое исследователями из Гарвардского университета в 2012 году, и втрое точнее, чем косвенное измерение, которое проводили в 1972 году.

К слову, Джеральд Габриельзе (Gerald Gabrielse) из Гарварда, который проводил предыдущее измерение магнитного момента протона, уже поработал и с антипротоном. Он измерил магнитный момент антипротона внутри ловушки для антиводорода (ATRAP). Этот эксперимент проводили в ЦЕРНе и там, увы, не обнаружилось никакой асимметрии.

Блаум и его команда теперь будут конкурировать с Габриельзе в гонке за открытие причин барионной асимметрии. Немецкие физики хотят перенести свой эксперимент в ЦЕРН и провести измерение магнитного момента антипротона в рамках эксперимента Барионная и Антибарионная симметрия (BASE).

Летом 2014 года запустится работа замедлителя протонов — установки, которая позволит провести необходимые эксперименты. На ней будут работать физики с проекта BASE, а также ещё три группы учёных, желающих найти минимальные расхождения между материей и антиматерией.

Отметим, что самые современные физические гипотезы предполагают возможность наличия расхождения в показателях магнетизма у протонов и антипротонов. Сложность состоит в том, что ни одна теория не предсказывает, как точно нужно измерить магнитный момент, чтобы обнаружить различие. Вполне вероятно, что и современных приборов для разгадки тайны Вселенной может быть недостаточно.

ВестиRu