Ученые ищут антивещество и темную материю в одном эксперименте

Ученые провели в ЦЕРНе уникальный эксперимент, в котором пытались обнаружить связь между антивеществом и темной материей, предположив, что такая связь существует. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Темная материя и антивещество — две нерешенные проблемы для физиков, пытающихся объяснить на фундаментальном уровне, как устроен наш мир.

Проблема с антивеществом состоит в том, что, хотя Большой взрыв должен был создать равное количество вещества и антивещества, в мире, в котором мы живем, антивещество не обнаружено. Антивещество создается каждый день в экспериментах и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро исчезает при столкновениях с обычным веществом. Асимметрия вещества и антивещества — одна из самых больших нерешенных задач физики. Расчеты показывают, что вещества во Вселенной на девять порядков больше, чем антивещества, и с чем связана эта асимметрия, никто не знает.

Что касается темной материи, из астрономических наблюдений известно, что некоторая так называемая скрытая масса влияет на орбиты звезд в галактиках, но никто до сих пор не смог определить частицы, из которых эта скрытая масса состоит. Существует предположение, что эти гипотетические частицы темной материи, известные как аксионы, играют важную роль в объяснении нарушения симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц.

Ученые международной коллаборации BASE, возглавляемой Стефаном Ульмером из Института физико-химических исследований Японии (RIKEN) впервые провели эксперименты, чтобы выяснить, может ли различный способ взаимодействия вещества и антивещества с темной материей быть ключом к решению обеих загадок.

Работа проводилась в Европейском центре ядерных исследований (CERN) на установке с антипротонным замедлителем. В исследовании приняли участие немецкие ученые из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге, Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце, Института Гельмгольца в Майнце, Института тяжелых ионов в Дармштадте, Университета Лейбница в Ганновере, Федерального Физико-Технического института в Брауншвейге при содействии японских коллег из Токийского университета.

Для эксперимента ученые использовали специально разработанное устройство, называемое ловушкой Пеннинга, осуществляющее захвата одного отдельного антипротона, предотвращая его контакт с обычным веществом, что привело бы к уничтожению античастицы.

Затем они измерили такое свойство захваченного антипротона, как частота прецессии спина. Это параметр в неизменном магнитном поле остается постоянным, а если он меняется, это может быть свидетельством опосредованного эффекта гипотетических аксионоподобных частиц темной материи.

"Мы впервые искали взаимодействие между темной материей и антивеществом, и, хотя в явном виде его не обнаружили, мы установили новый верхний предел точности для потенциального взаимодействия между ними", — приводятся в пресс-релизе института RIKEN слова первого автора статьи Кристиана Сморра (Christian Smorra).

Заглядывая в будущее, Стефан Ульмер говорит: "Мы планируем повысить точность наших измерений частоты прецессии спина антипротона, что позволит установить более строгие ограничения на фундаментальную инвариантность заряда, четность и время и сделает метод поиска темной материи более чувствительным".