Антипротон

Эксперименты по поиску антипротонов начались в середине 1950-х гг. в Беркли (шт. Калифорния, США) на специально построенном для этой цели ускорителе протонов «Беватрон» с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Эта энергия превышала порог реакции образования пары «нуклон‑антинуклон» в протон‑протонных столкновениях, а также позволяла наблюдать парное рождение нуклонов (протонов и антипротонов) при рассеянии протонов на протонах. Для доказательства существования антипротона необходимо было обнаружить элементарную частицу, имеющую единичный отрицательный заряд ${\displaystyle -e}$ и массу, равную массе протона. Измерив импульс ${\displaystyle p}$ антипротона и его скорость ${\displaystyle \upsilon }$, массу антипротона ${\displaystyle m}$ можно получить из соотношения^[3]:

${\displaystyle p=mc\beta \gamma }$,

где ${\displaystyle \beta ={\upsilon \over c}}$, ${\displaystyle \gamma ={1 \over {\sqrt {1-{\upsilon ^{2} \over c^{2}}}}}}$, ${\displaystyle c}$ — скорость света.

Из закона сохранения электрического заряда и закона сохранения барионного заряда следует, что антипротоны должны рождаться в реакции

${\displaystyle p+p\rightarrow p+p+p+{\overline {p}}}$.

Пороговая энергия этой реакции в лабораторной системе составляет 5,63 ГэВ.

В эксперименте Э. Сегре и его коллег антипротоны образовывались при бомбардировке медной мишени протонами, ускоренными до энергии 6,2 ГэВ^[4]. Протон, находящийся в ядре, имеет некоторый импульс, что приводит к уменьшению порога реакции рождения антипротона до 4,3 МэВ на протоне, находящемся в ядре меди. Кинетическая энергия нуклонов в ядре равна около 25—40 МэВ. Чем больше энергия встречного движения протона мишени, тем ниже порог рождения пары «протон–антипротон».

Схема эксперимента по регистрации антипротонов показана на рисунке. С помощью отклоняющих магнитов М1 и М2 из всех вторичных частиц, образующихся при взаимодействии ускоренного пучка протонов с медной мишенью, выделялись частицы с единичным отрицательным зарядом и импульсом 1,19 ГэВ/с. Такими частицами, помимо антипротонов, могли быть отрицательные пионы и в значительно меньшем количестве отрицательно заряженные каоны.

Для выделения антипротонов из большого фона отрицательных пионов (1 антипротон на ≈10⁵ пионов) использовалось их разное время пролёта расстояния (≈ 12 м) между быстродействующими сцинтилляционными счётчиками С1 и С2 (см. схему эксперимента). Так как масса антипротона больше массы пиона при одинаковом импульсе антипротонов и отрицательно заряженных ионов, скорость антипротонов меньше скорости отрицательных пионов. Следовательно, антипротон пролетает расстояние между счётчиками С1 и С2 за большее время, чем отрицательный пион. Для антипротона оно составляло 51 · 10^–9 с, а для отрицательного пиона — 40 · 10^–9 с.

На рисунке показаны гистограммы времени пролёта отрицательным пи-мезоном (рис. а) и антипротоном (рис. б) расстояния 12 м. На рисунке в отображены случайные совпадения в интервале времен пролёта, где расположены сигналы от антипротонов.

С целью более надёжного выделения сигналов от антипротонов в эксперименте дополнительно использовалось два черенковских счётчика Ч1 и Ч2, позволявшие измерять скорость пролетающей частицы. Счётчик Ч2 регистрировал частицы со скоростями ${\displaystyle 0,75<{\upsilon \over c}<0,78}$, соответствующими антипротонам с импульсами 1,19 ГэВ/с. Счётчик Ч1 регистрировал частицы со скоростями пионов (${\displaystyle {\upsilon \over c}}$ = 0,99). События, вызывающие срабатывание счётчика Ч1, отбрасывались. Сцинтилляционный счётчик С3 использовался для проверки того, отклонилась ли регистрируемая частица от заданной траектории. Счётчики С1, С2, C3 и Ч2 были включены на совпадения, а счётчик Ч1 — на антисовпадение.

Разработанная схема детектирования пролетающих через систему детекторов отрицательно заряженных частиц выделяла отрицательно заряженные частицы, имеющие массу протона, и тем самым надёжно идентифицировала антипротоны.

Дополнительные критерии обнаружения антипротонов

Дополнительным критерием того, что экспериментальная установка регистрировала именно антипротоны, стало измерение масс различных частиц в области масс, соответствующих массе протона. Изменяя значения магнитного поля, создаваемого магнитами М1 и М2, исследователи настраивали установку на измерение частиц различной массы.

На рисунке показан спектр масс отрицательно заряженных частиц в области масс, соответствующих массе протона. Как видно из рисунка, в спектре масс частиц наблюдается максимум, соответствующий массе протона, и практически отсутствует фон вне этого максимума. На основе измеренного максимума, соответствующего регистрации протонов, был сделан вывод, что массы обнаруженных частиц с точностью до 5 % совпадают с массой протона.

Ещё одним критерием, подтверждающим наблюдение антипротонов, стало измерение выхода отрицательно заряженных частиц с массой, равной массе протона, в зависимости от энергии падающего на мишень пучка ускоренных протонов. Измеренное пороговое значение выхода реакции (4,3 ГэВ) соответствовало порогу рождения антипротонов на протонах, входящих в состав ядер медной мишени.

На основании всех измерений был сделан вывод о том, что обнаруженные отрицательные частицы являются антипротонами. Всего за время сеанса, который длился около 7 суток, Сегре и его коллегами было зарегистрировано 60 антипротонов^[5].

Главной особенностью античастиц является их аннигиляция^[6]. При аннигиляции начальная частица и её античастица полностью исчезают, а их энергия преобразуется в другие частицы. Этот процесс строго подчиняется законам сохранения, которые накладывают жёсткие ограничения на возможные каналы реакции. Аннигиляция антипротонов с протонами происходит в результате сильного взаимодействия.

Одним из критериев того, что в экспериментах Сегре и его коллег действительно образовывались антипротоны, стало обнаружение аннигиляции антипротона с одним из нуклонов вещества. При этом происходило выделение энергии, которая вдвое превышала энергию покоя протона. Для исследования этого процесса после сцинтилляционного счётчика С3 был установлен ещё один черенковский счётчик, с помощью которого можно было зарегистрировать аннигиляцию антипротона в материале этого счётчика. При аннигиляции нуклона и антипротона в покое будет выделяться энергия, равная удвоенной энергии покоя нуклона 1,9 ГэВ. При аннигиляции пары «нуклон-антинуклон» в основном образуются положительные, отрицательные и нейтральные пионы, которые, в свою очередь, также распадаются. Заряженные пионы распадаются на мюоны и нейтрино, мюоны распадаются на электроны, позитроны и нейтрино. Нейтральные пионы распадаются на 2 γ-кванта.

Таким образом, в течение нескольких микросекунд суммарная энергия покоя образовавшегося антипротона и протона превращается в энергию частиц с нулевой массой покоя, за исключением случая аннигиляции пары «антипротон-нейтрон», в результате которой наряду с частицами нулевой массы остаётся электрон. В ходе экспериментов было обнаружено, что при прохождении антипротонов через детектирующую систему в черенковском счётчике выделяется сигнал, амплитуда которого превышала 1 ГэВ. При аннигиляции пары «протон-антипротон» при низких энергиях в основном рождаются более лёгкие сильно взаимодействующие частицы (пионы и каоны). Так как энергия покоя пиона (≈ 140 МэВ) существенно меньше энергии покоя каона (≈ 500 МэВ), образование каонов наблюдается примерно в 5 % случаев.

Вероятность образования различного числа заряженных пионов, образующихся при аннигиляции пары «протон-антипротон», показана на рисунке. Наряду с заряженными пионами образуются нейтральные пионы. Число нейтральных пионов примерно в 1,5 раза меньше, чем заряженных. На рисунке показано распределение по энергии заряженных пионов, образующихся в результате аннигиляции антипротонов с протонами в пузырьковой пропановой камере и в фотоэмульсии.

При высоких энергиях вероятность аннигиляции протона и антипротона уменьшатся, и сечение этого процесса приближается к сечению процесса столкновения протона с протоном, в согласии с теоремой Померанчука: в пределе очень высоких энергий полные сечения взаимодействия частицы и античастицы с одной и той же мишенью должны совпадать. Антипротон аннигилирует также и с нейтронами, при этом образуются электрон и частицы нулевой массы. Кулоновское притяжение между протонами и антипротонами позволяет им образовывать связанное состояние — экзотический атом протоний. Несмотря на многолетние исследования, убедительных доказательств существования этого связанного состояния пока нет.

• Масса

В эксперименте Г. Гольдхабера, который был выполнен в 1955 г. в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (США), пучок антипротонов замедлялся с помощью медного поглотителя и останавливался в стопке фотоэмульсии. После пробега в эмульсии расстояния, равного примерно 12 см, антипротон аннигилировал с одним из нуклонов ядер эмульсии, что приводило к образованию «звезды» из 8 частиц. После проявления фотоэмульсии можно было наблюдать следы заряженных частиц, образовавшихся в результате аннигиляции. По ионизации, создаваемой антипротоном, и угловому рассеянию в материале эмульсии была независимо измерена его масса.Масса антипротона равна массе протона — 938,2719(98) МэВ^[3].

• Спин

Спин антипротона составляет 1/2ħ, как и у протона.

• Электрический заряд

У антипротона он отрицательный и равен по абсолютной величине (модулю) электрическому заряду протона.

• Барионное число

У антипротона оно отрицательное и равно −1, тогда как у протона — положительное +1.

• Кварковый состав

Антипротон состоит из трёх непарных антикварков.

• Время жизни

В отсутствие вещества антипротон, как и протон, с высокой степенью точности стабилен. В веществе время жизни медленного антипротона определяется скоростью его аннигиляции.

• Взаимодействие

Антипротон участвует в сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях.

Основной механизм образования вторичных антипротонов — это столкновения протонов из космических лучей с ядрами атомов в межзвёздной среде^[11]. Антипротоны в космических лучах регистрировали с помощью разных методов и детекторов.

• Баллонные эксперименты (на воздушных шарах).

В 1969—1971 гг. Э. А. Богомолов из Ленинградского Физико-технического института (ФТИ им. А. Ф. Иоффе) в ходе стратосферных полётов на аэростатах с помощью магнитного спектрометра впервые зарегистрировал антипротоны в космических лучах. Для поиска антипротонов был разработан и построен специальный магнитный спектрометр, предназначенный для экспериментов на высотных аэростатах. В конце 1970-х гг. в результате баллонных экспериментов были обнаружены антипротоны с энергией 2—5 ГэВ в галактических космических лучах. В высокоширотных экспериментах 1980-х гг. впервые был измерен поток галактических антипротонов в энергетическом диапазоне 0,2—2 ГэВ, что позволило сделать выводы о механизме их генерации.

Результаты, полученные сотрудниками ФТИ им. А. Ф. Иоффе впоследствии получили подтверждение в баллонных экспериментах, выполненных группами учёных из США и Японии. Выполненные исследования стали важным этапом в изучении антиматерии во Вселенной и продемонстрировали эффективность магнитных спектрометров в исследовании спектров и состава космических лучей^[12].

• Спутниковые детекторы, например PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) и AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), установленный на МКС.

Эксперимент PAMELA — космический эксперимент, направленный на изучение антиматерии, в том числе антипротонов, в космическом излучении. Он проводился с 15 июня 2006 г. по февраль 2016 г. на борту российского спутника «Ресурс ДК1». PAMELA был оснащён несколькими детекторными системами, которые позволяли идентифицировать тип частицы, измерять её заряд, энергию, скорость и направление полёта^[13].

Основные цели и задачи эксперимента PAMELA^[14]:

1) Изучение антиматерии.

Эксперимент включал исследование потоков высокоэнергичных частиц, включая антипротоны, с целью понимания космологических процессов, в том числе природы тёмной материи и барионной асимметрии Вселенной.

2) Измерение энергетических спектров.

В ходе эксперимента были определены энергетические спектры антипротонов, а также других частиц (протонов, позитронов, лёгких ядер) в широком диапазоне энергий — до единиц ТэВ^[15].

3) Исследование радиационного пояса Земли.

Эксперимент позволил впервые обнаружить антипротонный радиационный пояс Земли — область, где скапливаются захваченные геомагнитным полем антипротоны. Этот результат имеет важное значение для создания модели радиационного пояса Земли^[16].

4) Изучение «аномального эффекта ПАМЕЛА» — наблюдаемого роста отношения потоков высокоэнергичных космических позитронов к электронам с ростом энергии. Этот эффект противоречил существующим моделям генерации и распространения подобных частиц в Галактике. В 2008 г. он был отмечен как выдающееся достижение мировой науки по данным Американского института физики.

• Эксперименты на ускорителях частиц.

В 2016 г. при работе с протонами с энергией 6,5 ТэВ, коллаборация LHCb провела необычный эксперимент^[17]. В участок вакуумной трубы коллайдера LHC рядом с детектором LHCb, был впрыснут небольшой объём ядер гелия. Это позволило впервые исследовать столкновение протонов рекордно высоких энергий с ядрами гелия. Такой процесс реально происходит в межзвёздной среде, когда сквозь неё пролетают протоны сверхвысоких энергий. При этом в столкновениях могут рождаться антипротоны, которые достигают Земли и регистрируются спутниками, но такие антипротоны являются вторичными продуктами, так как их не испускал далёкий космический объект.

Всего в эксперименте было зарегистрировано 34 млн протон-гелиевых столкновений, и в полутора миллионах случаев рождался антипротон (а также многочисленные другие частицы). На рисунке показано распределение сечения по полному импульсу для событий с поперечным импульсом от 1,2 до 2,8 ГэВ. Также на рисунке приведено сравнение с многочисленными теоретическими моделями, построенными для описания таких процессов и использующиеся при анализе спектров космических лучей^[18].

Изучение антипротонов в космических лучах имеет несколько аспектов:

• Проверка теоретических моделей.

Измерения энергетического спектра антипротонов позволяют оценить вклад стандартных процессов и установить верхние пределы на количество частиц, которые могут возникать экзотическими способами.

• Поиск тёмной материи.

Превышение числа антипротонов над прогнозируемыми значениями может указывать на наличие источника, например аннигиляции тёмной материи.

• Исследование гелиосферы.

Данные AMS показали, что антипротоны подчиняются тем же правилам, что и остальные космические лучи, и позволяют лучше понять движение вещества в гелиосфере, включая влияние солнечной активности и магнитного поля.