Ученые, работающие с ALICE (A Large Ion Collider Experiment, «гигантский эксперимент столкновения ионов»), детектором тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере (БАК), сделали точные измерения массы и электрического заряда частицы. Хотя это может показаться не так захватывающе на первый взгляд, как, скажем, открытие новой частицы, это важная находка для физиков, поскольку проливает свет на фундаментальную симметрию природы и возвещает новую эру в области дисциплин STEM (естественных наук, технологий, инженерии и математики).

Результаты были недавно опубликованы в Nature Physics и подтвердили наличие фундаментальной симметрии между ядрами частиц и античастиц с точки зрения заряда, четности и времени (CPT).

Данные поступили благодаря измерениям частиц, которые были произведены в высокоэнергетических столкновениях на БАК. В конечном счете, это основная задача БАК — сталкивать связки протонов почти на скорости света. В каждой связке содержится порядка 100 миллионов протонов. В лучшем случае, БАК запускает 2808 связок за пучок, что позволяет ему производить до миллиарда столкновений ежесекундно.

Эксперимент

Эксперимент ALICE записал высокоэнергетические столкновения ионов свинца, обеспечив условия для изучения этой материи при чрезвычайно высоких температурах и плотностях. Этот эксперимент точно измеряет кривизну треков частиц в магнитном поле детектора и время полета частиц. Затем использует эту информацию, чтобы определить соотношение массы к заряду для ядер и антиядер.

Возможности высокоточного трекинга и идентификации эксперимента ALICE стали частью исследований, направленных на измерение различий между способами объединения протонов и нейтронов в ядрах и способами объединения антиядер в античастицах.

Значение эксперимента

Если вы не в курсе, антивещество — это не только вымышленное топливо «Энтерпрайза» и его путешествий в «Звездном пути»; напротив, антивещество существует и используется в нашей реальности. Антиводород был создан в 1995 году (хотя и не продержался долго).

Антивещество, по своей сути, это вещество с противоположным электрическим зарядом. К примеру, антипротоны идентичны протонам, только с отрицательным зарядом. Первородного антивещества во Вселенной пока не наблюдали. Но античастицы в лабораторных условиях на ускорителях частиц (вроде БАК) уже были созданы.

«После Большого Взрыва, на каждую частицу вещества была создана частица антивещества. В физике частиц есть очень важный вопрос: все ли законы физики отражают особый вид симметрии, известный как CPT, и эти измерения подтверждают наличие фундаментальной симметрии между ядрами и антиядрами», — говорит Марсело Гамейро Мюнхоз, профессор Института физики USP и член бразильской команды, работающей на ALICE.

И все же, это не означает, что буквально все в нашей Вселенной симметрично, но помогает лучше понять фундаментальную природу Вселенной и базовую физику, которой она следует. По мнению Мюнхоза, эти измерения могут помочь физикам определить, какая теория фундаментальных законов Вселенной является наиболее точной и правдоподобной.

«Эти законы описывают природу всех взаимодействий материи, — говорит он. — Поэтому важно знать, что физические взаимодействия не изменяются инверсией заряда частиц, преобразованием четности, отражением пространственных координат и инверсией времени. Ключевой вопрос: остаются ли законы физики одним и и теми же при таких условиях».

В частности, для этого случая, исследователи измерили различия в соотношениях массы и заряда для дейтронов, состоящих из протона и нейтрона, и антидейтронов, а также для ядер гелия-3, состоящих из двух протонов и одного нейтрона, и антигелия-3.

Конечно, изучение симметрии командой ALICE не ограничивается соединением протонов и нейтронов; она также изучает производство тяжелых кварков (очаровательного и нижнего кварков), основываясь на измерениях электронов, а также изучает редкие явления, вытекающие из столкновений тяжелых ионов, которые происходят на БАК.

Начинается смелая и новая эпоха в физике элементарных частиц.