Aine-antiaine sümmeetria sai uut kinnitust

Rahvusvaheline meeskond, milles tegid kaasa ka Max Plancki Kvantoptika Instituudi teadlased, täpsustas elektroni ja antiprootoni masside suhet enneolematu täpsusega.

Kaasaegse kosmoloogia kohaselt tekkis Suures Paugus ainet ja antiainet võrdsetes kogustes.  Füüsikud arendavad välja teooriaid, millede abil seletada tõsiasja, et nähtav universum paistab nüüd olevat moodustunud ainult ainest.  Eksperimentaalfüüsikud valmistavad samas tehislikult antiprootoneid, et uurida aine ja antiaine fundamentaalset sümmeetriat, mille kohaselt peaks praeguse osakestefüüsika teooriate järgi olema neil täpselt samad omadused, kuid vastasmärgilised elektrilised laengud, kirjutab ScienceDaily.com.

Nüüd mõõtsid aga teadlased ära antiprootoni ja elektroni masside suhte täpsusega 1,3 osakest miljardi kohta. Selle jaoks kasutasid nad uut laserspektroskoopia meetodit pooleldi antiainelisel ja pooleldi ainelisel aatomil, mida nimetatakse antiprootoniliseks heeliumiks. Tulemus oli kooskõlas sarnase täpsusega sooritatud prootoni massi mõõtmistel saadud andmetega, kinnitades aine ja antiaine vahelist sümmeetriat.

Füüsikud usuvad, et loodusseadused alluvad fundamentaalsele sümmetriale, mida nimetatakse ,,CPT-ks” (Conjugation – konjugatsioon, Parity – paarsus, Time reversal –  ajapeegeldus), millest lähtub see, et kui kogu universumis olev aine asendada antiainega, siis pöörduksid vasak ja parem nii, nagu peeglisse vaadates, ning aja suund pöörduks.  See ,,antimaailm” oleks meie ainest koosnevast maailmast eristamatu.  Antiaine aatomid kaaluksid täpselt sama palju kui nende ainest koosnevad kaaslased. Kui teadlased avastaksid eksperimentaalselt mingi kõrvalekalde, olgu see kuitahes väike, siis tähendaks see fundamentaalse sümmeetria lõhkumist. Võtmesõnaks on siinkohal ,,väike” – oluline on kasutada kõige täpsemaid olemasolevaid meetodeid ja seadmeid, et saada võimalikult täpne tulemus.

Antiainet on laboratooriumis äärmiselt raske käsitseda, sest tavalise ainega kokku puutudes (isegi õhumolelulidega) annihileerub see koheselt, muundudes energiaks ja uuteks osakesteks. 1997. aastal alustati Antiprootoni Aeglustamise(Antiproton Decelerator ehk AD) hoone ehitamist CERNis. Seal kogutakse suure energiaga põrgetes tekkinud antiprootonid kokku ning ladustatakse vaakumtorus, mis on 190-meetrise ringraja kujuline. Antiprootoneid aeglustatakse järk-järgult, enne kui need mitmetesse erinevatesse eksperimentaalasutustesse transporditakse.

Tavalised heeliumi aatomid koosnevad tuumast, mille ümber tiirleb kaks elektroni. Antiprootonilises heeliumi aatomis asendab ühte elektroni antiprooton, mis tiirleb ergutatud orbitaalil, mille kaugus tuumast on umbes 100 pikomeetrit. Teadlased suunavad laserkiire aatomile ning seadistavad hoolikalt selle sagedust seni, kuni antiprooton sooritab kvanthüppe ühelt orbitaalilt teisele. Seda sagedust teoreetiliste arvutustega võrreldes saab teha kindlaks antiprootoni ja elektroni masside suhte.

Oluliseks ebatäpsuste allikaks on fakt, et antiprootonilised aatomid liiguvad oma soojusenergia tõttu suvaliselt ringi, mistõttu laserkiire suunas liikuvad aatomid kogevad sellest eemale liikuvatest aatomitest erinevat sagedust. Oma eelmises katses kasutasid teadlased ainult ühte laserkiirt, mistõttu see efekt mõjutas nende mõõtmise täpsust.

Seekord kasutati täpsuse suurendamiseks meetodit, mida nimetatakse ,,kahefootoniliseks laserspektroskoopiaks.” Aatomeid sihiti kahe erinevas suunas liikuva laserkiirega, mistõttu antud efekt osaliselt kadus, andes neli kuni kuus korda suurema mõõtetäpsuse.  Esimene laser põhjustas antiprootoni kvanthüppe virtuaalsele energiatasemele, mida kvantmehaanika tavaliselt ei luba, tänu millele teine laser sai antiprootoni viia lähimale lubatud tasemele.  Sellist kahefootonilist hüpet on tavaliselt raske saavutada, sest antiprooton on raske, kuid teadlased saavutasid selle tänu kahe ülitäpse laseri valmistamisele ning erilise lasersageduste kombinatsiooni hoolikale valikule. Selleks kasutati optilist sageduskammi – spetsiaalset seadet, mille leiutas professor Theodor W. Hänschi teadlasterühm 10. aastat tagasi.

Uued mõõtmised näitasid, et antiprooton on 1836,1526736(23) korda raskem kui elektron(sulgudes on toodud 1.  standardi hälbe määramatus).  ,,Me mõõtsime elektroni ja antiprootoni suhte 10 numbri täpsusega, ning saime täpselt sama väärtuse, mis on sarnase täpsusega prootoni väärtusega võrdne. Seda võib võtta kui CPT teoreemi kinnitust. Lisaks leidsime me, et antiprootonid alluvad samadele mittelineaarse kvantoptika seadustele nagu tavalised oaskesed, ning et me saame neid manipuleerida. Kahefootoniline meetod võimaldab tulevikus saada palju täpsemaid tulemusi, tänu millele saab tulevikus antiprootoni mass olema teada rohkemate komakohtadega kui prootoni mass, ” selgitas üks uurimuse läbi viinud füüsik Masaki Hori.

Allikas

Teadusartikkel “Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio“