Темная материя и антивещество – неприятные проблемы для физиков, пытающихся понять, как устроен наш мир на фундаментальном уровне.
Проблема с антивеществом заключается в том, что, хотя Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антивещества, мир, в котором мы живем, состоит только из материи.
Антивещество создается каждый день в экспериментах и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро аннигилирует при столкновении с обычным веществом. Прогнозы показывают, что наше понимание материального состава Вселенной на девять порядков отклонено, и никто не знает, почему существует асимметрия.
Что касается темной материи, то из астрономических наблюдений известно, что некоторая неизвестная масса влияет на орбиты звезд в галактиках, но никто не смог определить точные микроскопические свойства этих частиц.
Одна из теорий состоит в том, что они представляют собой тип гипотетической частицы, известной как аксион, которая играет важную роль в объяснении отсутствия нарушения симметрии при сильном взаимодействии в стандартной модели физики элементарных частиц.
Сотрудники группы BASE задались вопросом, может ли недостаток антивещества быть в том, что оно по-другому взаимодействует с темной материей, и решили проверить это.
Для эксперимента они использовали специально разработанное устройство, называемое ловушкой Пеннинга, для магнитного захвата одного антипротона, предотвращения его контакта с обычным веществом и его аннигилизации. Затем они измерили свойство антипротона, называемое его частотой прецессии спина.
Обычно это должно быть постоянным в данном магнитном поле, и модуляция этой частоты может быть объяснена эффектом, опосредованным аксионоподобными частицами, которые являются гипотетическими кандидатами в темную материю.
По словам первого автора исследования, Кристиана Сморры, «впервые мы явно искали взаимодействие между темной материей и антивеществом, и, хотя мы не обнаружили разницы, мы установили новый верхний предел для потенциального взаимодействия между темная материя и антивещество."
Заглядывая в будущее, Стефан Ульмер из кластера RIKEN для новаторских исследований, который является представителем BASE Collaboration, говорит: «С этого момента мы планируем еще больше повысить точность наших измерений частоты прецессии спина антипротона, что позволит мы устанавливаем все более строгие ограничения на фундаментальную инвариантность заряда, четности и времени, и делаем поиск темной материи еще более чувствительным."
Работа, опубликованная в журнале Nature, была проведена лабораторией фундаментальных симметрий RIKEN и рабочей группой кластера передового опыта PRISMA + Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU), который активно занимается поиском темной материи. Он был проведен в Европейском центре ядерных исследований (CERN) с использованием антипротонного замедлителя (AD). В исследовании также приняли участие ученые из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, ЦЕРН, Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU), Института Гельмгольца в Майнце (HIM), Токийского университета, GSI Дармштадта, Университета Лейбница в Ганновере. и Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Брауншвейг.
Исследование проводилось в рамках работы Центра времени, констант и фундаментальных симметрий Макса Планка-РИКЕН-PTB, международной группы, созданной для разработки высокоточных измерений для лучшего понимания физики нашей Вселенной.