Тесты на антивещество с нарушением Лоренца
Высокоточные эксперименты могут выявить небольшие ранее невидимые различия между поведением материи и антиматерии. Эта перспектива привлекательна для физиков, поскольку может показать, 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 является его предсказание существования частиц антиматерии. Антипротоны , позитроны и антинейтроны теперь хорошо поняты, и могут быть созданы и изучены в экспериментах.
Высокоточные эксперименты не смогли обнаружить любую разницу между массами частиц и таковые у соответствующих античастиц . Они также не смогли обнаружить никакой разницы между величинами обвинения, или между жизнями, частиц и античастиц. Эти симметрии массы, заряда и времени жизни требуются в вселенной Лоренца и симметричной CPT , но это лишь небольшое количество свойств, которые должны соответствовать если Вселенная лоренц- и CPT-симметрична.
Расширение стандартной модели ( SME ), комплексная теоретическая основа нарушения Лоренца и CPT, делает конкретные прогнозы о том, как частицы и античастицы вел бы себя по-другому во вселенной это очень близко к тому, но не совсем, Лоренц-симметричный. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] В общих чертах, МСП можно визуализировать как построенный из фиксированные фоновые поля которые взаимодействуют слабо, но по-разному, с частицами и античастицами.
Поведенческие различия между материя и антиматерия специфичны для каждого отдельного эксперимента. Факторы, определяющие поведение, включают в себя задействованный 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 корабля является важным фактором в определении сигналов нарушения Лоренца , которое может возникнуть. Чтобы использовать прогнозирующую силу МСП в любой конкретной системе, необходимо выполнить расчет так что все эти факторы могут быть учтены. Эти расчеты облегчаются разумным предположением, что Лоренц нарушения, если они есть, маленькие. Это позволяет использовать теорию возмущений для получения результатов в противном случае его было бы чрезвычайно трудно найти.
МСП генерирует модифицированное уравнение Дирака что нарушает симметрию Лоренца для некоторых типов движений частиц, но не для других. Поэтому он содержит важную информацию о 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 Пеннинга это исследовательский аппарат способен улавливать отдельные заряженные частицы и их аналоги из антивещества. Механизм ловушки – это сильное магнитное поле, которое удерживает частицы вблизи центральной оси, и электрическое поле, которое вращает частицы когда они отклоняются слишком далеко вдоль оси. Частоты движения захваченной частицы можно контролировать и измерять с поразительной точностью. Одной из этих частот является частота аномалии, что сыграло важную роль в измерении гиромагнитного отношения электрона (см. гиромагнитное отношение § гиромагнитное отношение для изолированного электрона ).
Первые расчеты малого и среднего бизнеса эффектов в ловушках Пеннинга были опубликованы в 1997 году и 1998 год. [ 4 ] [ 5 ] Они показали, что, в одинаковых ловушках Пеннинга, если аномальная частота электрона была увеличена, тогда аномальная частота позитрона было бы уменьшено. Размер увеличения или уменьшения на частоте было бы мерой сила одного из фоновых полей МСП . Более конкретно, это мера компонента фонового поля вдоль направления осевого магнитного поля.
В тестах на симметрию Лоренца неинерционный характер лаборатории из-за вращательного и орбитального движения Земли необходимо учитывать. Каждое измерение ловушки Пеннинга – это проекция фоновых МСП полей вдоль оси экспериментального магнитного поля во время эксперимента. Это еще больше усложняется, если эксперимент занимает часов, дней или дольше для выполнения.
Один из подходов заключается в поиске мгновенных различий, путем сравнения частот аномалий для частицы и античастицы измерялись одновременно в разные дни. Другой подход заключается в поиске звездные вариации, путем постоянного мониторинга частота аномалий только для одного вида частиц в течение длительного времени. Каждый предлагает разные задачи. Например, мгновенные сравнения требуют, чтобы электрическое поле в ловушке было точно наоборот, пока звездические испытания ограничены стабильностью 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 частиц были около 90 МГц, и аппарат был способен разрешать различия в 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 примерно 10 −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 электрону и одиночный захваченный позитрон, они снова не обнаружили разницы между 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 – это аналог атома водорода из антивещества. Имеет отрицательно заряженный антипротон. в ядре который притягивает положительно заряженный позитрон вращаясь вокруг него.
Спектральные линии водорода имеют частоты определяется разницей в энергии между квантовомеханическими орбитальными состояниями электрона. Эти строки были изучены в тысячах спектроскопических экспериментов и поняты очень подробно. Квантовая механика позитрона, вращающегося вокруг антипротона в атоме антиводорода, как ожидается, будет очень похожим к атому водорода. Фактически, традиционная физика предсказывает, что спектр антиводорода идентичен таковому у обычного водорода.
При наличии фоновых полей МСП , спектры водорода и антиводорода ожидается, что они покажут небольшие различия в некоторых строках, и никаких отличий от других. Расчеты этих для МСП эффектов в антиводороде и водороде были опубликованы [ 9 ] в письмах с физическими обзорами в 1999 году. Один из основных результатов, полученных это сверхтонкие переходы чувствительны к эффектам Лоренца.
несколько экспериментальных групп в ЦЕРН Над получением антиводорода работают : AEGIS , ALPHA , ASACUSA , ATRAP и GBAR .
Создание захваченного антиводорода в достаточном количестве заниматься спектроскопией представляет собой огромную экспериментальную задачу. Признаки нарушения Лоренца аналогичны ожидаемым в ловушках Пеннинга. Будут побочные эффекты вызывая изменения в спектральных частотах когда экспериментальная лаборатория вращается вместе с Землей. Также будет возможность мгновенного обнаружения Сигналы разрушения Лоренца когда 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 другие от тех, которые содержат электроны и позитроны. Расчеты для мюонных экспериментов направленный на исследование нарушения Лоренца в сфере малого и среднего бизнеса были впервые опубликованы в 2000 году. [ 12 ]
В 2001 году Хьюз и его коллеги опубликовали свои результаты. от поиска звездных сигналов в спектре мюония, 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 на сочетание -коэффициенты типа в МСП , опубликовано в журнале Physical Review Letters. [ 13 ]
В 2008 году Мюон 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 .