ALICE hat die Masse und Bindungsenergie von leichten Anti-Atomwaffen gemessen • Igor Ivanov • Science News zu "Elementen" • ALICE Detektor, Physik, LHC

ALICE maß die Masse und Bindungsenergie der Lunge

Abb. 1. Die Energiefreisetzung eines Teilchens pro Längeneinheit der Flugbahn in Abhängigkeit von ihrem Impuls (gemäß der Zeitprojektionskamera des ALICE-Detektors). Auf der linken Seite – negativ geladene Teilchen, auf der rechten Seite – positiv. Jeder der Punkt – ein getrennt verfolgtes Teilchen. Schwarze Linien – theoretisch erwartete Abhängigkeiten für Partikel unterschiedlicher Typen. Bild von ALICE Collaboration, 2015. Produktion von leichten Kernen und Anti-Kernen pp und Pb-Pb Kollisionen an LHC Energien

Die ALICE Collaboration, die am Large Hadron Collider arbeitet, sammelte Statistiken über leichte Anti-Atomwaffen, maß genau ihre Massen und fand innerhalb der Fehlergrenzen einen Zufall mit den Massen von Kernen. Sie hat es auch geschafft, die Bindungsenergien der Kerne von Anti-Deuterium und Anti-Helium-3 zu messen, was der erste Schritt in einer neuen Richtung der Nuklearforschung war – "Anti-Atom" -Physik.

Antimaterie, und insbesondere Positronen und Antiprotonen, ist den Physikern seit langem bekannt und wurde in verschiedenen Experimenten verwendet. Antiprotonen zum Beispiel wurden in großen Mengen für den amerikanischen Proton-Antiproton-Collider Tevatron hergestellt. Am CERN gibt es eine spezielle Installation – den Antiproton-Moderator (AD) -, der einen Strom langsamer Antiprotonen für den Bedarf mehrerer Experimente mit Antiprotonen und Antiwasserstoff liefert (siehe: Im ASACUSA-Experiment, die Produktionslinie für Antiwasserstoff, Elements, 4. Februar 2014).Da Antiprotonen stabil sind – wenn sie natürlich von gewöhnlicher Materie isoliert sind, können sehr genaue Messungen mit ihnen gemacht werden. Zum Beispiel hat kürzlich das CASE-Experiment im BASE-Experiment herausgefunden, dass die Antiprotonenmasse mit der Protonenmasse mit einer Genauigkeit besser als ein zehn Milliardstel zusammenfällt.

Dies betrifft jedoch nur einzelne Antiteilchen. Anti-Kerne – die gebundenen Zustände von Antiprotonen und Antineutronen – sind viel weniger gut verstanden. Erstens sind sie sehr wenig bekannt. Die leichtesten Anti-Kerne, Anti-Neutronen, wurden erstmals vor genau einem halben Jahrhundert beobachtet. Antihelium-3 wurde 1971 gesehen. Auch bekannt ist Antitriton und Antihelium-4, letzteres wurde kürzlich im Jahr 2011 eröffnet. Zweitens, Anti-Aids wird sehr selten geboren. Für das Auftreten eines Anti-Kerns ist es notwendig, dass bei einer Kollision nicht nur mehrere Antinukleoide entstehen, sondern dass sie auch in etwa der gleichen Richtung abheben und sich miteinander vereinigen. Drittens ist es noch nicht möglich, den Anti-Kern zu verlangsamen und zu fangen, daher müssen alle Messungen mit ihnen im laufenden Betrieb durchgeführt werden.

Aufgrund dieser Schwierigkeiten war es bisher nicht möglich, mit der Untersuchung von "Anti-Atom-Kräften" – den Kräften der Wechselwirkung zwischen Anti-Nukleonen im Anti-Kern – fortzufahren.Im Prinzip glauben Theoretiker, dass aufgrund des CPT-Theorems alle allgemeinen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen (Massen, volle Zerfallsbreiten usw.) übereinstimmen sollten. Dies gilt auch für Anti-Kerne, für ihre Massen und Bindungsenergien. Jede theoretische Aussage ist jedoch wünschenswert, um experimentell zu verifizieren; Am Ende diskutieren einige Theoretiker die hypothetische Möglichkeit einer kleinen Verletzung der CPT-Symmetrie.

Vor kurzem veröffentlichte ALICE Collaboration in der Zeitschrift Naturphysik die Ergebnisse eines Rekord-hohen Vergleichs der Massen der Deuterium- und Helium-3-Kerne und ihrer Anti-Atomwaffen Anti-Atom-Statistiken wurden während einer kurzen Sitzung von Nuklearkollisionen gesammelt, die im November 2011 am Large Hadron Collider stattfand. Bei einer typischen nuklearen Kollision werden Tausende einzelner Teilchen geboren, und unter ihnen können manchmal Antiprotonen, Antineutrone und in Ausnahmefällen ein Anti-Kern gefunden werden. Es ist sehr schwierig, dieses Durcheinander zu verstehen, aber der ALICE-Detektor, der speziell für das Studium nuklearer Kollisionen geschärft wurde, bewältigt diese Aufgabe mit Zuversicht. Wichtige Konstruktionselemente helfen ihm dabei: eine große Zeitprojektionskammer, die tausende Trajektorien sorgfältig wiederherstellt, und ein kombiniertes Partikelidentifikationssystem. Er misst den Impuls des Teilchens und seine Geschwindigkeit und damit die Masse.Die Art des Teilchens wird auch durch die Energiefreisetzung pro Längeneinheit der Flugbahn gesehen, die von der Zeitprojektionskamera gut gemessen wird (Abb. 1).

Da die Hauptaufgabe der Studie darin bestand, die Kern- und Atomkernmassen zu vergleichen (bzw. einen Vergleich der Masse mit dem Modul der elektrischen Ladung, μ = m / | z |), versuchten Physiker, gemeinsame Quellen systematischer Fehler loszuwerden. Zu diesem Zweck haben wir bei der Datenverarbeitung nicht getrennt die Kern- und Atomwaffenmassen gemessen, sondern sofort auf der Ebene der statistischen Verteilungen den Unterschied zwischen dem Verhalten von Teilchen und Antiteilchen. Dies ermöglichte, die Ungenauigkeiten bei der Wiederherstellung der Trajektorien, die Folgen der nicht idealen Ausrichtung der verschiedenen Komponenten des Detektors und andere unvermeidliche Fehler der Hardware zu beseitigen.

Danach blieben instrumentelle Effekte in Verbindung mit einem nicht idealen Magnetfeld, die unterschiedliche Auswirkungen auf Teilchen unterschiedlicher Ladung haben können. Dies ist eine gefährliche Quelle der Ungenauigkeit – wenn man sie ignoriert, kann ein falscher Eindruck entstehen, dass sich die Flugbahnen der Atomkerne und der Atomwaffen unterschiedlich drehen, was bedeutet, dass ihre Massen unterschiedlich sind. Um dies zu tun, hat das magnetische Feld während des Sammelns von Statistiken regelmäßig die Polarität umgekehrt.Schließlich wurden alle verbleibenden Fehlerquellen sorgfältig analysiert, minimiert und numerisch ausgewertet. Dank dieser harten Arbeit konnte der relative systematische Fehler des Ergebnisses ein Tausendstel nicht überschreiten.

Das Ergebnis der ALICE Collaboration für den Wert von \ (\ Delta \ mu_A = \ mu_A – \ _ _ \ \ \ bar \) ist: \ [{\ \ Delta \ mu_d \ over \ mu_d} = (0, \ 9 \ pm 0, \! 5 \ pm 1, \! 4) \ cdot 10 ^ {- 4} \ ,, \ quad {\ Delta \ mu _ {{} ^ 3 \ mathrm {He}} \ über \ mu _ {{} ^ 3 \ mathrm {He}}} = (-1, \! 2 \ pm 0, \! 9 \ pm 1, \! 0) \ cdot 10 ^ {- 3} \ ,, \] wobei der erste Fehler statistisch ist, der zweite – systematisch. Wie zu sehen ist, sind beide gemessenen Werte innerhalb des Fehlers Null, in vollständiger Übereinstimmung mit dem CPT-Theorem. In Abb. 2, links, werden diese Daten grafisch dargestellt und mit den Daten alter, fast ein halbes Jahrhundert alter Experimente verglichen.

Abb. 2 Massenvergleich (auf der linken Seite) und Bindungsenergien (auf der rechten Seite) Kerne und antinukleares Deuterium und Helium-3. In rot Zeige neue ALICE Ergebnisse schwarz – Daten aus alten Experimenten. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Naturphysik

Die hohe Genauigkeit des Ergebnisses ermöglichte der ALICE Collaboration den nächsten Schritt – die Bindungsenergie der Kerne und Anti-Kerne durch ihren Massendefekt zu berechnen und damit zu überprüfen, ob sich die Kernkräfte beim Übergang von den Kernen zu den Anti-Kernen verändern. Die Ergebnisse waren wie folgt (siehe auch 2, rechts):

\ [{\ Delta E_d \ über E_d} = -0, \! 04 \ pm 0, \! 05 \ pm 0, \! 12 \ ,, \ quad {\ Delta E _ {{} ^ 3 \ mathrm {He} } \ über E _ {{} ^ 3 \ mathrm {He}}} = 0, \! 24 \ pm 0, \! 16 \ pm 0, \! 18. \]

Genauigkeit ist natürlich nicht zu hoch. Aber die Tatsache, dass die Bindungsenergie des Anti-Atom-Geräts endlich für Messungen und Vergleiche mit Atomkernen verfügbar geworden ist, bedeutet, dass sich vor unseren Augen eine neue Forschungslinie herausbildet, die als "Anti-Atom-Physik" bezeichnet werden kann. Im Prinzip können wir noch eine gewisse Verbesserung der Genauigkeit von den Collider-Experimenten erwarten, ebenso wie Messungen der Bindungsenergie für Anti-Helium-4. Ein Ruck in der Genauigkeit wird jedoch nur auftreten, wenn Physiker beginnen, langsame Anti-Käfige zu erhalten und sie in Fallen zu halten. Wann es implementiert wird, ist unbekannt; Auf dem Weg dahin müssen ernsthafte technische Schwierigkeiten überwunden werden.

Quelle: ALICE Zusammenarbeit. Der Unterschied zwischen leichten Kernen und Anti-Kernen Naturphysik. Online veröffentlicht am 17. August 2015. DOI: 10.1038 / nphys3432. Der Artikel ist auch als E-Print erhältlich arXiv: 1508.03986 [nucl-ex].

Igor Iwanow


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