Ученые измерили силу взаимодействия между частицами антивещества

«Большой Взрыв — начало Вселенной — произвел вещество и антивещество в равных количествах. Но наш нынешний мир на это не похож. Антивещество чрезвычайно редкое. Это огромная загадка, — говорит Айхон Тан, физик из Брухейвена, участвующий в анализе данных, собранных детектором STAR коллайдера релятивистских ионов (RHIC). — И хотя эта загадка была известна десятилетиями, она и по сей день остается одной из крупнейших проблем науки, возникало мало догадок на эту тему. Все, что мы узнаем о природе антивещества, может теоретически внести вклад в разрешение этой задачи».

Вглядываясь в осколки столкновений частиц, которые воссоздают условия очень ранней Вселенной, ученые впервые измерили силу взаимодействия между парами антипротонов. Подобно силе, которая удерживает обычные протоны вместе в ядрах атомов, сила между антипротонами притягательная и мощная.

Эксперименты проводились на ускорителе RHIC при содействии Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, в рамках исследований ядерной физики. Выводы, опубликованные в журнале Nature, могут пролить свет на более крупные кусочки антиматерии, включая ядра антиматерии, ранее обнаруженные на RHIC, и помочь ученым ответить на один из крупнейших вопросов в науке: почему в мире практически нет антивещества.

RHIC — идеальное место для исследования антивещества, поскольку это одно из немногих мест на Земле, где можно создать эту редкость в достаточном количестве. Делается это за счет столкновения ядер тяжелых атомов вроде золота между собой почти на скорости света. Эти столкновения производят условия, крайне похожие на те, что царили во Вселенной микросекунды спустя после Большого Взрыва — при температуре в 250 000 раз выше, чем в центре Солнца, когда все было заключено в размеры единственного атомного ядра. Эта энергия, упакованная в крошечное пространство, создает плазму из фундаментальных строительных блоков материи, кварков и глюонов, и тысячи новых частиц — материи и антиматерии, в равных количествах.

«Мы воспользовались возможностью произвести достаточно количество антивещества, чтобы провести это исследование», — говорит Тан.

Группа STAR ранее уже выявляла и изучала редкие формы антиматерии — включая анти-альфа-частицы, крупнейшие ядра антиматерии, которые когда-либо создавались в лаборатории, каждое состоящее из двух антипротонов и двух антинейтронов. Эти эксперименты дали некоторое понимание того, как антипротоны взаимодействуют в таких крупных составных объектах. Но в том случае «сила между антипротонами является совокупностью взаимодействий со всеми другими частицами», говорит Тан. «Мы хотели изучить простое взаимодействие несвязанных антипротонов, чтобы получить чистый вид этой силы».

Чтобы сделать это, они искали в данных золото-золотых столкновений в STAR пары антипротонов, которые были достаточно близко, чтобы взаимодействовать, когда выходили из огненного шара изначального столкновения.

«Мы видим, как множество протонов, основных строительных блоков обычных атомов, выходит наружу, и видим почти такое же число антипротонов, — говорит Чжэньквяо Чжан, аспирант группы профессора Ю-Ганг Ма из Института прикладной физики Шанхая при Китайской академии наук, работающей под руководством Тана в Брукхейвене. — Антипротоны выглядят подобно знакомым нам протонам, но поскольку являются антивещество, их заряд не положительный, а отрицательный, поэтому они искривляются противоположным образом в магнитном поле детектора».

«Глядя на те, которые ударяются между собой в детекторе, мы можем измерить корреляции в определенных свойствах, которые дают нам представления о взаимодействии между парой антипротонов, включая его силу и диапазон, в котором оно проявляется», — добавляет он.

Ученые обнаружили, что сила, действующая между парами антипротонов, притягивает, подобно сильному ядерному взаимодействию, которое удерживает обычные атомы вместе. Учитывая то, что они уже обнаружили связанные состояния антипротонов и антинейтронов — ядер антивещества — это неудивительно. Когда антипротоны находятся близко друг к другу, сильное взаимодействие преодолевает тенденцию одинаково (отрицательно) заряженных частиц отталкивать друг друга подобно тому, как позволяет положительно заряженным протонам связываться в ядре обычного атома.

На самом деле, эти измерения не показывают разницу между материей и антиматерией касательно поведения сильного взаимодействия. То есть, в пределах точности этих измерений, вещество и антивещество кажутся совершенно симметричными. Это означает, что по крайней мере с точностью, которой удалось достичь ученым, можно утверждать, что асимметричными причудами сильного взаимодействия нельзя объяснить превалирующее количество вещества во Вселенной и отсутствие в ней антивещества.

Но ученые отмечают, что мы не узнали бы этого, если бы не провели эксперименты.

«Есть много способов проверить асимметрию вещества/антивещества, и есть более точные тесты, но в дополнение к точности важно проверить ее качественно различными способами. Этот эксперимент представляет собой качественно новый тест», — говорит Ричард Ледницкий, ученый STAR из Объединенного института ядерных исследований в г. Дубна при Чешской академии наук.

«Успешная реализация методики, используемой в этом анализе, открывает захватывающие возможности для изучения деталей сильного взаимодействия между другими обильно производимыми видами частиц», — говорит он, отмечая, что RHIC и БАК прекрасно подходят для таких измерений, которые сложно провести другими способами.