CERN: Το πείραμα ALICE-μετρώντας τους λόγους μάζας/φορτίου πυρήνων και αντιπυρήνων-επιβεβαιώνει μια θεμελιώδη συμμετρία της φύσης

Στο πείραμα ALICE (στην εικόνα ο ανιχνευτής του) στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider-LHC) στο CERN πραγματοποιήθηκε μια πολύ ακριβής μέτρηση της διαφοράς μεταξύ των λόγων μάζας / ηλεκτρικού φορτίου των ελαφρών πυρήνων και αντιπυρήνων. Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, επιβεβαιώνει μια θεμελιώδη συμμετρία της φύσης με μια πρωτοφανή ακρίβεια για ελαφρούς πυρήνες. Οι μετρήσεις βασίστηκαν στις δυνατότητές του πειράματος ALICE να παρακολουθεί και να αναγνωρίζει σωματίδια που παράγονται σε συγκρούσεις βαρέων ιόντων υψηλής ενέργειας στον LHC.

Η ομάδα του ALICE μέτρησε τη διαφορά μεταξύ των λόγων μάζα προς φορτίο για δευτερόνια (πυρήνας του ισοτόπου του υδρογόνου δευτέριου, που περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) και αντιδευτερόνια, καθώς και για πυρήνες ήλιου-3 (δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο) και αντιήλιου-3. Μετρήσεις στο CERN, με πιο πρόσφατες αυτές από το πείραμα BASE, έχουν ήδη συγκρίνει με υψηλή ακρίβεια τις ίδιες ιδιότητες των πρωτονίων και αντιπρωτονίων. Η μελέτη από το πείραμα ALICE πάει αυτήν την έρευνα παραπέρα, καθώς ερευνά την πιθανότητα λεπτών διαφορών μεταξύ του τρόπου με τον οποίο πρωτόνια και τα νετρόνια ενώνονται στους πυρήνες, σε σύγκριση με το πώς τα αντίστοιχα αντισωμάτιά τους σχηματίζουν του αντιπυρήνες.

«Οι μετρήσεις από το ALICE και από το BASE πραγματοποιήθηκαν στις υψηλότερες και χαμηλότερες ενέργειες που είναι διαθέσιμες στο CERN, στον LHC και Επιβραδυντή Αντιπρωτονίων, αντίστοιχα», λέει ο (μέχρι το τέλος του έτους) Γενικός Διευθυντής του CERN, Rolf Heuer. «Αυτό είναι ένα τέλειο παράδειγμα της ποικιλομορφίας στο ερευνητικό πρόγραμμα του εργαστηρίου».

Η μέτρηση από το ALICE, που συγκρίνει τους λόγους μάζας προς φορτίο σε δευτερόνια / αντιδευτερόνια και σε ήλιο-3 / αντιήλιο-3, επιβεβαιώνει μια θεμελιώδη συμμετρία, γνωστή ως CPT, σε αυτούς τους ελαφρείς πυρήνες. Αυτή η συμμετρία της φύσης υποδηλώνει ότι όλοι οι νόμοι της φυσικής παραμένουν οι ίδιοι κατά την ταυτόχρονη αντιστροφή του φορτίου (τελεστής συζυγίας φορτίου: C), την αντιστροφή κάθε χωρικής συντεταγμένης (μετασχηματισμός της ομοτιμίας: P) και την αναστροφή του χρόνου (Τ). Το νέο αποτέλεσμα, που έρχεται ακριβώς 50 χρόνια μετά την ανακάλυψη του αντιδευτερόνιου στο CERN και στις ΗΠΑ, βελτιώνει τις ήδη υπάρχουσες μετρήσεις κατά έναν παράγοντα 10-100.

Μετρήσεις της απώλειας ενέργειας στον θάλαμο χρονικής προβολής επιτρέπει στο πείραμα ALICE να προσδιορίσει αντιπυρήνες (επάνω καμπύλες στα αριστερά) και πυρήνες (επάνω καμπύλες στα δεξιά) που παράγονται από τις συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στο LHC (Εικόνα από: ALICE)

Το πείραμα ALICE καταγράφει υψηλής ενέργειας συγκρούσεις ιόντων μολύβδου στον LHC, που το επιτρέπουν να μελετήσει την ύλη σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες. Οι συγκρούσεις των ιόντων μολύβδου παρέχουν μια πηγή άφθονων σωματιδίων και αντισωματιδίων και οι πυρήνες και οι αντίστοιχοι αντιπυρήνες παράγονται με σχεδόν ίσους ρυθμούς. Αυτό επιτρέπει στο ALICE να κάνει μια λεπτομερή σύγκριση των ιδιοτήτων των πυρήνων και αντιπυρήνων που είναι πιο πολυπληθώς παραγόμενοι. Το πείραμα κάνει ακριβείς μετρήσεις της καμπυλότητας των τροχιών των σωματιδίων στο μαγνητικό πεδίο του ανιχνευτή και του χρόνου «πτήσης» των και χρησιμοποιεί αυτές τις πληροφορίες για να καθορίσει τους λόγους μάζας προς φορτίο για τους πυρήνες και τους αντιπυρήνες.

«Η υψηλή ακρίβεια του ανιχνευτή μας για το χρόνο διαδρομής, ο οποίος προσδιορίζει τον χρόνο άφιξης των σωματιδίων και αντισωματιδίων με μια ανάλυση των 80 picoseconds (1 psec είναι ισοδύναμο με 10^-12 sec, δηλαδή με ένα εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου), σε συσχετισμό με τη μέτρηση της ενεργειακής απώλειας από τον θάλαμο χρονικής προβολής, μας επιτρέπει να μετρήσουμε ένα σαφές σήμα για τους λόγους δευτερόνια / αντιδευτερόνια και ήλιο-3 / αντιήλιο-3 σε ένα ευρύ φάσμα της ορμής », λέει ο Paolo Giubellino, εκπρόσωπος τύπου του ALICE.

Οι διαφορές που μετριούνται στους λόγους μάζας προς φορτίο είναι συμβατές με μηδέν μέσα στις εκτιμώμενες αβεβαιότητες, σε συμφωνία με τις προσδοκίες για CPT- συμμετρία. Οι μετρήσεις αυτές, καθώς και εκείνες που συγκρίνουν πρωτόνια με αντιπρωτόνια, μπορεί να περιορίσουν περαιτέρω τις θεωρίες που πηγαίνουν πέρα από το υπάρχον Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model ) γα τα σωμάτια και τις δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν.

Πηγή: CERN

Περισσότερα στην εργασία: Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei, Nature Physics (2015)