Физики преуспели в первом прямом высокоточном измерении одного из фундаментальных свойств протона. Они убеждены, что полученные ими результаты будут способствовать лучшему пониманию асимметрии «материя/антиматерия».
Одна из самых больших загадок в физике — очевидный дисбаланс между материей и антиматерией в нашей Вселенной. На сегодняшний день у учёных нет вразумительного объяснения тому, почему материя и антиматерия не смогли уничтожить друг друга сразу же после Большого взрыва, и как образовался профицит материи, который по сегодняшний день продолжает формировать Вселенную. Эксперименты, проводимые в университете Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), поспособствовали разрешению этой проблемы. Именно там впервые было проведено прямое, высокоточное измерение магнитного момента протона. Магнитный момент — это одно из фундаментальных свойств протонов, которые в сочетании с нейтронами образуют ядра атомов. В принципе, метод может также использоваться для измерения магнитного момента антипротона с аналогичной высокой точностью, что позволяет исследовать асимметрию «материя/антиматерия». Проведение аналогичных экспериментов в настоящее время готовится в исследовательском центре CERN, расположенном в Женеве (Швейцария).
Прежде чем эти измерения стали возможными и полученные результаты превзошли достижения всех предыдущих попыток, потребовались годы подготовки. Помимо Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) в эксперименте приняли участие: Центр по изучению тяжёлых ионов имени Гельмгольца (Дармштадт, Германия), Институт ядерной физики Макса Планка (Гейдельберг, Германия) и Институт физико-химических исследований (RIKEN), расположенный в Японии. Используя двойную ловушку Пеннинга, исследователи смогли определить магнитный момент протона с точностью 3,3х109. Этот результат в 760 раз более точный, чем все результаты, регистрируемые в Mainz University и Harvard University в 2012 году. К тому же они в 3 раза точнее результатов, полученных непрямым методом измерения в 1972 году.
По словам Andreas Mooser, ведущего автора исследований и члена исследовательской команды, возглавляемой Jochen Walz из Mainz University, протоны похожи на крошечные стержневые магниты. Их магнитный момент равен 24 А⋅м2, то есть намного слабее обычной стрелки компаса, отмечает учёный. Ключ к успеху заключался в использовании двойной ловушки Пеннинга — электромагнитной ловушки частиц, позволяющей изолировать и проанализировать всего один протон. Эта ловушка позволяет обнаружить спин-квантовые скачки протона и произвести точные замеры частоты.
В прошлом ловушка Пеннинга уже использовалась для измерения магнитного момента отдельных частиц, таких как электроны и их античастицы — позитроны. Но адаптация этого подхода для измерения протонов весьма проблематична, поскольку магнитный момент протона в 660 раз меньше магнитного момент электрона. Из этого следует, что аппарат для проведения эксперимента должен быть намного чувствительнее. Благодаря плодотворному сотрудничеству удалось разработать двойную ловушку Пеннинга, которая смогла произвести точные замеры магнитного момента протона.
Предыдущие самые точные измерения магнитного момент протона были проведены в 1972 году. Тогда при помощи непрямого метода удалось измерить гипертонкую структуру атомного водорода. В последующем в полученные результаты были внесены теоретические коррективы.
Принцип двойного измерения в двойной ловушке Пеннинга также может быть использован для измерения магнитного момента антипротона. По словам Stefan Ulmer, который в настоящее время занимается подготовкой аналогичного эксперимента в CERN, расположенного в Женеве, при получении данных относительного магнитного момента антипротона, можно будет провести сравнение двух результатов и сопоставить их с фундаментальными прогнозами стандартной модели.
Использование технологии двойной ловушки Пеннинга для измерения магнитного момента антипротона позволило бы увеличить точность результатов, полученных в рамках проекта ATRAP в 2013 году, по меньшей мере в 1000 раз. Если предположить, что результаты будут отличаться от полученных ранее, то это станет важным шагом на пути к пониманию асимметрии «материя/антиматерия» нашей Вселенной.
