Протон и антипротон: похожие или одинаковые?
8.10.2003 23:45 | Е. Е. Онищенко/scientific.ru

В рамках современных физических представлений протон и антипротон имеют в точности равные массы, а величины их электрических зарядов отличаются только знаком. Но так ли это на самом деле? Проведенные в ЦЕРНе измерения позволили ученым из Японии и Венгрии установить новый предел на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона.

• >> Протон и антипротон: похожие или одинаковые?   (Е. Е. Онищенко/scientific.ru, 8.10.2003 23:45, 6.3 КБайт, ответов: 5)

  В рамках современных физических представлений протон и антипротон (то же справедливо и для других пар частица-античастица) имеют в точности равные массы, а величины их электрических зарядов отличаются только знаком. Но так ли это на самом деле? Проведенные в ЦЕРНе измерения позволили ученым из Японии и Венгрии установить новый предел на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона.

  Рис.1. Схема экспериментальной установки.

  В настоящее время частицы и античастицы считаются эквивалентными сущностями: предполагается, что если заменить все частицы на античастицы, вместе с тем проведя операции пространственной инверсии и обращение времени, то никаких изменений в характере протекания физических процессов не произойдет (CPT-инвариантность), т.е., грубо говоря, никто ничего не заметит. В реальности проводить зарядовое сопряжение и обращать время никто, конечно, не умеет, но это делать и не нужно. Помимо всегда имеющейся в нашем распоряжении материи, состоящей из обычных частиц, ученые в настоящее время умеют создавать и достаточно большие количества антиматерии (см. нашу заметку " Много холодного антиводорода в ЦЕРНе". Сравнение энергетического спектра атома антиводорода, состоящего из антипротона и позитрона, и обычного атома водорода, состоящего из протона и электрона, дает возможность найти (или - не найти) различия в свойствах антиматериии материи, т.е. поставить под сомнение основополагающие физические теории или подтвердить их правоту.

  Сравнение спектров атомов водорода и антиводорода, конечно, не единственный путь проверки эквивалентности частиц и античастиц. В том же ЦЕРНе с использованием того же уникального Антипротонного Замедлителя, позволяющего на выходе получать пучки антипротонов с энергией 5.3 МэВ, в последние годы идут эксперименты по измерению частот спектральных переходов атомов p^-He⁺ (этот атом состоит из альфа-частицы (ядра атома гелия), электрона и антипротона). Недавно японские и венгерские ученые, усовершенствовав установку, смогли получить новое ограничение на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона [1].

  Рис.2. Индуцированные лазерным излучением всплески интенсивности аннигиляции.

  В более ранних экспериментах антипротоны с энергией 5.3 МэВ замедлялись в криогенной гелиевой мишени с плотностью атомов гелия 10²¹ см^-3. Столь высокая плотность, нужная для торможения антипротонов, приводила к некоторому смещению частот спектральных переходов атомов p^-He⁺ за счет столкновений с атомами гелия. Теперь же ученые усовершенствовали включив в состав экспериментальной установки (рис.1) радиочастотный квадрупольный замедлитель (RFQD), позволяющий замедлить часть проходящих через него антипротонов (примерно 30 %) до энергии порядка 100 кэВ. Это позволило уменьшить плотность газа в камере-мишени на четыре порядка, в результате чего сдвиг частот переходов стал пренебрежимо мал по сравнению с естетственной шириной линий.

  Пучок низкоэнергетичных (менее 120 кэВ) антипротонов, отклоненный от общей траектории, попадал в камеру с гелием, поддерживаемым при температуре менее 30 К. В камере образовывались атомы p^-He⁺, обладающие достаточно большим (микросекундного диапазона) временем жизни (формирующиеся атомы находятся в возбужденном состоянии с большими значениями квантовых чисел n и l (главного и орбитального)). Исследователи использовали резонансное возбуждение лазером на красителях тех переходов, при которых антипротон из метастабильного состояния переходит в состояние с малым временем жизни (за счет передачи энергии электрону (покидающем атом) антипротон быстро уходит из такого состояния, а в образовавшемся ионе p^-He²⁺ очень быстро происходит аннигиляция протона и антипротона). Рождавшиеся при аннигиляции протонов и антипротонов пионы регистрировались черенковскими детекторами, что давало ученым возможность наблюдать вызванный лазерным импульсом "всплеск" аннигиляции (рис.2).

  Рис.3. Схема энергетических уровней атомов p-4He+ и p-3He+ (длины волн исследованных переходов даны в нанометрах).

  Немного меняя частоту лазера, исследователи могли не только фиксировать частоту перехода по наблюдению пика в спектрах аннигиляции, но и "прописывать" форму линии перехода. Проведя эксперименты с различными изотопами гелия (⁴He и ³He) в рабочей камере, ученые смогли определить с высокой точностью частоты 13 переходов (рис.3). Сравнивая экспериментально измеренные частоты переходов с теоретически предсказанными, и, зная измеренную с высокой точностью циклотронную частоту антипротона, они установили новый предел на возможное отличие массы и заряда протона и антипротона - 10^-8, что в шесть раз лучше предыдущего результата. Чтобы двигаться дальше, нужно будет не только повысить точность экспериментального определения частот переходов, но и научиться их более точно рассчитывать.

  1. M.Hori, J.Eades, R.S.Hayano et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 123401 (2003).

• Re: Протон и антипротон: похожие или одинаковые?   (С. И. Гордеев, 30.11.2010 8:40, 543 Байт) Частицы и античастицы , а конкретно протон и антипротон одинаковы по всем характеристикам. Отличие возникает только в различии окружающих сред. Если полярность частицы и среды совпадают- то это протон по наблюдению и все наблюдаемые характеристики по частоте излучения будут чуть выше.Если же полярность частицы и среды противоположны - то это антипротон, и частоты излучений во всех наблюдениях антипротона будут чуть ниже. В конечном счете антипротон изменит свою ориентацию и станет протоном или аннигилирует.
  Best regards! GSI
  
• Re: Протон и антипротон: похожие или одинаковые?   (С. И. Гордеев, 30.11.2010 8:43, 543 Байт, ответов: 3) Частицы и античастицы , а конкретно протон и антипротон одинаковы по всем характеристикам. Отличие возникает только в различии окружающих сред. Если полярность частицы и среды совпадают- то это протон по наблюдению и все наблюдаемые характеристики по частоте излучения будут чуть выше.Если же полярность частицы и среды противоположны - то это антипротон, и частоты излучений во всех наблюдениях антипротона будут чуть ниже. В конечном счете антипротон изменит свою ориентацию и станет протоном или аннигилирует.
  Best regards! GSI
  
• Re[2]: Протон и антипротон: похожие или одинаковые?   (А. В. Рыков, 7.12.2010 19:09, 428 Байт, ответов: 2)

  Уважаемый Евгений Онищенко!

  Массы материи и антиматерии рождаются одновременно из структуры вакуума. Например

  m(+)=rot(deltaФ) имеет условный знак (+), m(-)=-rot(deltaФ) имеет условный знак (-). Естественно, при встрече эти массы аннигилируют, обращаясь в невозмущенную величину Ф. Точное изложение есть в моей книге "Вакуум и вещество Вселенной".

• Re[3]: Протон и антипротон: похожие или одинаковые?   (В. В. Комогоров, 9.12.2010 16:55, 1.1 КБайт, ответов: 1) Думается, надо определиться, что такое, заряд? Математик, ставя на листе точечку, говорит электрон. Физик, разглядывая снимок, говорит частица. Беседуя, прекрасно понимают друг друга. У нас примерно такое же отношение к заряду, как ко взрыву: где-то там, в глубине души, понимаем, что действуют две силы (температура и давление), но воспринимаем последствия, как от единой силы. Для меня (получившего техническое образование) заряд, прежде всего информация о присутствии энергии (сигнала). И как любая информация, имеет вид (форму) и носитель информации. Говоря об электроне, как о частице, так или иначе, подразумеваются две характеристики видимого явления. Рождение электрона нельзя рассматривать как самостоятельное явление без позитрона. Ведь сама мысль об анти материи, не разумна. Читаешь, диву даешься: получили, анти материю! это как? Какими анти глазами вы ее видели? Анти противоположное, и знак минус можно поставить, только помнить надо: противоположное это положение, а минус условность, появившаяся сначала у продавцов, так записывалась сумма долга. Долг платежом красен.
• Re[4]: Протон и антипротон: похожие или одинаковые?   (с. а. вепрев, 16.12.2010 11:26, 931 Байт) По логике, конечно, напрашивается что частица и античастица как предмет и его зеркальное отображение. Но может при y + y = p(+) + p(-) рождается что-то еще. И разницу в массах, нарушение симметрии, можно объяснить рождением др. частицы, как в 20-м веке предсказали нейтрино. Возможно частица и античастица это разные состояния одной частицы, как в случае с протоном и нейтроном. Масса их различна, но в ядре они рассматриваются как одна частица - нуклон, в разных состояниях. И, кстати, если подтвердится различие в массах частиц и античастиц, это прольет свет на асимметрию Большого взрыва в пользу материи, а не антиматерии. Ведь если массы и др. одинаковы, то вероятность рождения таких частиц в большом взрыве одинакова (равенство частиц и античастиц), а если нет, будут преобладать процессы рождения определенных частиц, что мы и наблюдаем в нашей Вселенной, в которой частиц оказалось больше, чем античастиц.