Колаборація ALICE, вивчивши ядра антивідництва, що народилися на Великому адронному колайдері в зіткненнях важких ядер, виміряла їх масу і енергію зв'язку з рекордною точністю. Це дослідження, разом з іншими недавніми експериментами, нарешті робить «антиядерну фізику» доступною для акуратних вимірювань. Результат роботи опублікований в журналі і, як і всі результати LHC, знаходиться у вільному доступі.
Сучасна фізика говорить, що для кожного типу частинок існують свої античастинки, - антипротони, антинейтрони, позитрони і т. д., - і що їх маси та інші загальні властивості збігаються з властивостями частинок. І хоча мало хто в цьому сумнівається, як і всяке теоретичне передбачення, воно підлягає експериментальній перевірці. Поки що всі експерименти, в яких спостерігалися античастинки, не суперечили цьому твердженню. Але фізики все одно шукають способи збільшити точність вимірювань і перевірити його справедливість з урахуванням все більш тонких ефектів.
Що стосується окремих частинок антивіщення, то тут точність досягнута вражаюча. Ми розповідали, наприклад, що в недавньому експерименті BASE в ЦЕРНі збіг мас протона і антипротона підтвердився на рівні краще однієї десятимільярдної. Але ситуація різко псується, коли йдеться про антиядри, тобто про ядри антипротонів і антинейтронів.
Причина в тому, що отримувати і вимірювати антиядра набагато важче. Найлегші антиядра, антидейтрони, вперше спостерігалися рівно півстоліття тому. Антигелій-3 побачили в 1971 році. Антигелій-4 - вже зовсім недавно, в 2011 році. Через ці складнощі досі не вдавалося почати вивчення «антиядерних» сил, які діють між антипротонами і антинейтронами і пов'язують їх в антиядра. Теоретики стверджують, що ці сили повинні бути ідентичними звичайним ядерним, але, знову ж таки, це твердження потребує експериментальної перевірки.
В опублікованій днями статті колаборації ALICE, яка працює в ЦЕРНі на Великому адронному колайдері, був зроблений перший крок у цьому напрямку. Протягом перших трьох років роботи колайдер стикав не тільки протони, але ще й ядра свинцю. У кожному такому зіткненні народжуються тисячі окремих частинок (рис. 1). Серед них можуть іноді зустрічатися антипротони, антинейтрони, і, у виняткових випадках, їх пов'язані статки - антиядра. Розібратися в цій мішанині дуже складно, але детектор ALICE, спеціально заточений під вивчення ядерних зіткнень, з цим завданням справляється впевнено. Він не тільки надійно реєструє частинки різного типу, але і точно вимірює їх імпульси і швидкості, а значить, і маси.
Видатні технічні характеристики детектора укупі з ретельним урахуванням всіх похибок дозволили ALICE виміряти маси ядер антидейтерія і антигелія-3 з рекордною точністю. Результати вимірювань представлені для величини A = ^ A ‑ ^ анті-A = ( ) A ‑ ( ) анти-A, де z - це електричний заряд частинки, а A - це тип ядра:
Δμd/μd = (0,9 ± 0,5 ± 1,4)·10−4, ΔμHe3/μHe3 = (−1,2 ± 0,9 ± 1,0)·10−3.
(у кожному випадку друга цифра це статистична похибка, а третя систематична, інструментальна похибка).
Як видно, обидві вимірені величини в межах похибки дорівнюють нулю, згідно з теоретичними очікуваннями.
Висока точність результату дозволила фізикам зробити наступний крок - порівняти дефект мас для ядер і антиядер. Це пряма перевірка того, змінюються ядерні сили при переході від ядер до антиядрів, адже дефект маси виникає через енергію зв'язку протонів і нейтронів в ядрі. Результати тут виявилися такими (див. також вріз): ΔEd/Ed = −0,04 ± 0,05 ± 0,12, ΔEHe3/EHe3 = 0,24 ± 0,16 ± 0,18.
Знову ж таки, все поки вказує на те, що енергії зв'язку вивчених ядер і антиядер збігаються. Для антигелія-3 це взагалі перший вимір енергії зв'язку.
Нехай досягнута точність не надто вражає, тут важливий загальний висновок: фізика антиядер поступово переходить від простих спостережень до точних вимірювань. У двох цернівських експериментах BASE і ALICE, а також у недавньому дослідженні колаборацією STAR ядерних сил, що діють між антипротонами, фактично народився новий напрямок досліджень, який можна умовно назвати «антиядерна» фізика.