Тесты на антивещество с нарушением Лоренца
Высокоточные эксперименты могут выявитьнебольшие ранее невидимые различия между поведениемматерии и антиматерии.Эта перспектива привлекательна для физиков, поскольку можетпоказать, что природа не лоренц-симметрична.
Введение
[ редактировать ]Обычное вещество состоит из протонов, электронов и нейтронов.Квантовое поведение этих частиц можно предсказать с превосходной точностью.с помощью уравнения Дирака , названного в честь П.А.М. Дирака .Одним из триумфов уравнения Дирака являетсяего предсказание существования частиц антиматерии. Антипротоны , позитроны и антинейтроны теперь хорошо поняты,и могут быть созданы и изучены в экспериментах.
Высокоточные эксперименты не смоглиобнаружить любую разницу между массамичастиц итаковые у соответствующих античастиц .Они также не смогли обнаружить никакой разницы между величинамиобвинения,или между жизнями,частиц и античастиц.Эти симметрии массы, заряда и времени жизнитребуются в вселенной Лоренца и симметричной CPT ,но это лишь небольшое количество свойств, которые должны соответствоватьесли Вселенная лоренц- и CPT-симметрична.
Расширение стандартной модели ( SME ),комплексная теоретическая основа нарушения Лоренца и CPT,делает конкретные прогнозыо том, как частицы и античастицывел бы себя по-другому во вселеннойэто очень близко к тому,но не совсем,Лоренц-симметричный. [1] [2] [3] В общих чертах,МСП можно визуализироватькак построенный изфиксированные фоновые полякоторые взаимодействуют слабо, но по-разному,с частицами и античастицами.
Поведенческие различия междуматерия и антиматерияспецифичны для каждого отдельного эксперимента.Факторы, определяющие поведение, включают в себязадействованный вид частиц,электромагнитное, гравитационное и ядерное поля, управляющие системой.Более того,для любого наземного эксперимента,важно вращательное и орбитальное движение Земли,что приводит к звездным и сезонным сигналам.Для экспериментов, проводимых в космосе, орбитальное движение корабляявляется важным фактором в определении сигналовнарушения Лоренца , которое может возникнуть.Чтобы использовать прогнозирующую силу МСП в любой конкретной системе,необходимо выполнить расчеттак что все эти факторы могут быть учтены.Эти расчеты облегчаются разумным предположением, что Лоренцнарушения, если они есть,маленькие. Это позволяет использовать теорию возмущений для получения результатовв противном случае его было бы чрезвычайно трудно найти.
МСП генерирует модифицированное уравнение Дирака что нарушает симметрию Лоренцадля некоторых типов движений частиц, но не для других.Поэтому он содержит важную информациюо том, как нарушения Лоренца могли быть скрыты в прошлых экспериментах,или могут быть раскрыты в будущем.
Тесты на нарушение Лоренца с ловушками Пеннинга
[ редактировать ]Ловушка Пеннингаэто исследовательский аппаратспособен улавливать отдельные заряженные частицыи их аналоги из антивещества.Механизм ловушки – этосильное магнитное поле, которое удерживает частицы вблизи центральной оси,и электрическое поле, которое вращает частицыкогда они отклоняются слишком далеко вдоль оси.Частоты движения захваченной частицыможно контролировать и измерять с поразительной точностью.Одной из этих частот является частота аномалии,что сыграло важную роль в измерениигиромагнитного отношения электрона (см. гиромагнитное отношение § гиромагнитное отношение для изолированного электрона ).
Первые расчеты малого и среднего бизнеса эффектов в ловушках Пеннинга были опубликованы в 1997 годуи 1998 год. [4] [5] Они показали, что,в одинаковых ловушках Пеннинга,еслианомальная частота электрона была увеличена,тогда аномальная частота позитрона было бы уменьшено.Размер увеличения или уменьшенияна частотебыло бы меройсила одного из фоновых полей МСП .Более конкретно,это меракомпонента фонового полявдоль направления осевого магнитного поля.
В тестах на симметрию Лоренцанеинерционный характер лабораториииз-за вращательного и орбитального движения Землинеобходимо учитывать.Каждое измерение ловушки Пеннинга– это проекция фоновых МСП полей вдоль оси экспериментального магнитного поляво время эксперимента.Это еще более усложняется, если эксперимент занимаетчасов, дней или дольше для выполнения.
Один из подходов заключается в поиске мгновенных различий,путем сравнения частот аномалийдля частицы и античастицыизмерялись одновременно в разные дни.Другой подход заключается в поискезвездные вариации,путем постоянного мониторингачастота аномалий только для одного вида частицв течение длительного времени.Каждый предлагает разные задачи.Например,мгновенные сравнениятребуют, чтобы электрическое поле в ловушке былоточно наоборот,пока звездические испытания ограниченыстабильностью магнитного поля.
В эксперименте, проведенном физиком Джеральдом Габриэлсом из Гарвардского университета, участвовали две частицы, заключенные в ловушку Пеннинга . Идея заключалась в том, чтобы сравнить протон и антипротон, но чтобы преодолеть технические трудности, связанные с наличием противоположных зарядов.Вместо протона использовался отрицательно заряженный ион водорода. Ион, два электроста, электростатически связанные с протоном , и антипротон имеют одинаковый заряд и поэтому могут быть захвачены одновременно. Такая конструкция позволяет быстро менять местами протон и антипротон, что позволяет провести тест Лоренца мгновенного типа. Циклотронные частоты двух захваченных частицбыли около 90 МГц, и аппарат был способен разрешать различияв них около 1,0 Гц. Отсутствие эффектов, нарушающих Лоренц этого типа.установило ограничение на комбинации Коэффициенты SME -типа , к которым не было доступа в других экспериментах. Результаты [6] появилась в Physical Review Letters в 1999 году.
Группа ловушек Пеннинга в Вашингтонском университете , возглавляемая нобелевским лауреатом Гансом Демельтом , провела поиск сидерических вариаций аномальной частоты захваченного электрона. Результаты были извлечены из эксперимента, который длился несколько недель, и анализ потребовал разделения данных на «корзины» в соответствии с ориентацией аппарата в инерциальной системе отсчета Солнца. При разрешении 0,20 Гц им не удалось различить какие-либо звездные вариации частоты аномалии, которая составляет около 185 000 000 Гц. Переводя это в верхнюю границу соответствующего Поле фона SME , устанавливает границу примерно10 −24 ГэВ на электронный коэффициент -типа .Эта работа [7] была опубликована в журнале Physical Review Letters в 1999 году.
Другой экспериментальный результат группы Демельта включал сравнение мгновенного типа. Использование данных по одному захваченному электронуи одиночный захваченный позитрон, они снова не обнаружили разницымежду двумя аномальными частотами с разрешением около 0,2 Гц.Этот результат наложил ограничение на более простую комбинацию -типовые коэффициенты на уровне около 10 −24 ГэВ.Помимо ограничения на нарушение Лоренца ,это также ограничивает нарушение КПП.Этот результат [8] появилась в Physical Review Letters в 1999 году.
Нарушение Лоренца в антиводороде
[ редактировать ]Атом антиводорода – этоаналог атома водорода из антивещества.Имеет отрицательно заряженный антипротон.в ядрекоторый притягивает положительно заряженный позитронвращаясь вокруг него.
Спектральные линии водорода имеют частотыопределяется разницей в энергиимежду квантовомеханическими орбитальными состояниямиэлектрона.Эти строкибыли изучены в тысячах спектроскопических экспериментови поняты очень подробно.Квантовая механика позитрона, вращающегося вокруг антипротонав атоме антиводорода, как ожидается, будет очень похожимк атому водорода.Фактически,традиционная физика предсказывает, что спектр антиводородаидентичен таковому у обычного водорода.
При наличии фоновых полей МСП ,спектры водорода и антиводородаожидается, что они покажут небольшие различияв некоторых строках,и никаких отличий от других.Расчеты этих для МСП эффектов в антиводороде и водородебыли опубликованы [9] в письмах с физическими обзорамив 1999 году.Один из основных результатов, полученныхэто сверхтонкие переходычувствительны к эффектам Лоренца.
несколько экспериментальных групп в ЦЕРН Над получением антиводорода работают : AEGIS , ALPHA , ASACUSA , ATRAP и GBAR .
Создание захваченного антиводородав достаточном количествезаниматься спектроскопиейпредставляет собой огромную экспериментальную задачу.Признаки нарушения Лоренца аналогичны ожидаемым в ловушках Пеннинга.Будут побочные эффектывызывая изменения в спектральных частотахкогда экспериментальная лаборатория вращается вместе с Землей.Также будет возможность мгновенного обнаруженияСигналы разрушения Лоренцакогда спектры антиводорода сравниваются напрямую с обычными спектрами водорода
В октябре 2017 года эксперимент BASE в ЦЕРН сообщил об измерении антипротона магнитного момента с точностью 1,5 частей на миллиард. [10] [11] Это согласуется с наиболее точными измерениями магнитного момента протона (также выполненными BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу CPT-симметрии . Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антивещества известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.
Нарушение Лоренца с мюонами
[ редактировать ]Мюон . и его положительно заряженная античастица использовались для проверки симметрии Лоренца.Поскольку время жизни мюона составляет всего несколько микросекунд,эксперименты совсем другиеот тех, которые содержат электроны и позитроны.Расчеты для мюонных экспериментовнаправленный на исследование нарушения Лоренца в сфере малого и среднего бизнеса были впервые опубликованы в 2000 году. [12]
В 2001 годуХьюз и его коллеги опубликовали свои результаты.от поиска звездных сигналов в спектремюония,атом , состоящий из электрона, связанного с отрицательно заряженным мюоном.Их данные,принятые за двухлетний период,не представил никаких доказательств нарушения Лоренца .Это наложило жесткие ограничения насочетание -коэффициенты типа в МСП ,опубликовано в журнале Physical Review Letters. [13]
В 2008 годуМюон Коллаборация Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовала результаты поиска сигналов нарушения Лоренца с мюонами и антимюонами.В одном типе анализа они сравнили частоты аномалий.для мюона и его античастицы. В другом они искали звездные вариации, распределяя свои данные по одночасовым «корзинам» в соответствии с ориентацией Земли относительно инерциальной системы отсчета, центрированной Солнцем.Их результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters в 2008 году, [14] не показывают никаких признаков нарушения Лоренца в разрешении Брукхейвенского эксперимента.
Результаты экспериментов во всех отраслях SME обобщены в таблицах данных для нарушений Лоренца и CPT. [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Колладей, Д.; Костелецкий, В.А. (1997). «Нарушение CPT и Стандартная модель». Физический обзор D . 55 (11): 6760–6774. arXiv : hep-ph/9703464 . Бибкод : 1997PhRvD..55.6760C . дои : 10.1103/PhysRevD.55.6760 . S2CID 7651433 .
- ^ Колладей, Д.; Костелецкий, В.А. (1998). «Расширение стандартной модели, нарушающее Лоренц». Физический обзор D . 58 (11): 116002. arXiv : hep-ph/9809521 . Бибкод : 1998PhRvD..58k6002C . дои : 10.1103/PhysRevD.58.116002 . S2CID 4013391 .
- ^ Костелецкий, В.А. (2004). «Гравитация, нарушение Лоренца и Стандартная модель». Физический обзор D . 69 (10): 105009. arXiv : hep-th/0312310 . Бибкод : 2004PhRvD..69j5009K . дои : 10.1103/PhysRevD.69.105009 . S2CID 55185765 .
- ^ Блюм, Р.; Костелецкий, В.А.; Рассел, Н. (1997). «Испытание CPT с аномальными магнитными моментами». Письма о физических отзывах . 79 (8): 1432–1435. arXiv : hep-ph/9707364 . Бибкод : 1997PhRvL..79.1432B . дои : 10.1103/PhysRevLett.79.1432 . S2CID 119048753 .
- ^ Блюм, Р.; Костелецкий, В.А.; Рассел, Н. (1998). «CPT и тесты Лоренца в ловушках Пеннинга». Физический обзор D . 57 (7): 3932–3943. arXiv : hep-ph/9809543 . Бибкод : 1998PhRvD..57.3932B . дои : 10.1103/PhysRevD.57.3932 . S2CID 958994 .
- ^ Габриэль, Г.; Хаббаз, А.; Холл, Д.С.; Хейманн, К.; Калиновский, Х.; Дже, В. (19 апреля 1999 г.). «Прецизионная масс-спектроскопия антипротона и протона с использованием одновременно захваченных частиц». Письма о физических отзывах . 82 (16). Американское физическое общество (APS): 3198–3201. Бибкод : 1999PhRvL..82.3198G . дои : 10.1103/physrevlett.82.3198 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Миттлман, РК; Иоанну II; Демельт, Х.Г.; Рассел, Нил (13 сентября 1999 г.). «Связь с CPT и лоренцевой симметрией с захваченным электроном». Письма о физических отзывах . 83 (11). Американское физическое общество (APS): 2116–2119. Бибкод : 1999PhRvL..83.2116M . дои : 10.1103/physrevlett.83.2116 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Демельт, Х.; Миттлман, Р.; Ван Дейк, RS; Швинберг, П. (6 декабря 1999 г.). «Прошлые электрон-позитронные-2 эксперименты дали наиболее четкую границу нарушения CPTV для точечных частиц». Письма о физических отзывах . 83 (23): 4694–4696. arXiv : hep-ph/9906262 . Бибкод : 1999PhRvL..83.4694D . дои : 10.1103/physrevlett.83.4694 . ISSN 0031-9007 . S2CID 116195114 .
- ^ Блюм, Р.; Костелецкий, В.А.; Рассел, Н. (1999). «CPT и тесты Лоренца в водороде и антиводороде». Письма о физических отзывах . 82 (11): 2254–2257. arXiv : hep-ph/9810269 . Бибкод : 1999PhRvL..82.2254B . дои : 10.1103/PhysRevLett.82.2254 . S2CID 10398057 .
- ^ Адамсон, Аллан (19 октября 2017 г.). «Вселенная на самом деле не должна существовать: Большой взрыв произвел равное количество материи и антиматерии» . TechTimes.com . Проверено 26 октября 2017 г.
- ^ Сморра К.; и др. (20 октября 2017 г.). «Измерение магнитного момента антипротона в частях на миллиард» . Природа . 550 (7676): 371–374. Бибкод : 2017Natur.550..371S . дои : 10.1038/nature24048 . ПМИД 29052625 .
- ^ Блюм, Р.; Костелецкий, В.А.; Лейн, К. (2000). «CPT и тесты Лоренца с мюонами». Письма о физических отзывах . 84 (6): 1098–1101. arXiv : hep-ph/9912451 . Бибкод : 2000PhRvL..84.1098B . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.1098 . ПМИД 11017453 . S2CID 11593326 .
- ^ Фольксваген Хьюз; и др. (2001). «Тест CPT и лоренц-инвариантности по данным мюониевой спектроскопии, Phys. Rev. Lett. 87, 111804 (2001)».
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Г.В. Беннетт; и др. (сотрудничество БНЛ г-2) (2008 г.). «Поиск эффектов нарушения Лоренца и CPT в прецессии спина мюона». Письма о физических отзывах . 100 (9): 091602. arXiv : 0709.4670 . Бибкод : 2008PhRvL.100i1602B . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.091602 . ПМИД 18352695 . S2CID 26270066 .
- ^ Костелецкий, В.А.; Рассел, Н. (2010). «Таблицы данных для нарушений Лоренца и CPT». Обзоры современной физики . 83 (1): 11–31. arXiv : 0801.0287 . Бибкод : 2011РвМП...83...11К . дои : 10.1103/RevModPhys.83.11 . S2CID 3236027 .