新实验表明：反物质拥有和普通物质一样的引力

翻译 | Linvo

粒子物理学的标准模型虽然取得了令人难以置信的成功，但是又明显不完善。其中一个悬而未决的问题，就是宇宙中物质和反物质惊人的不平衡，这需要进一步去做高精度的比较物质/反物质共轭的基本特性的实验。欧洲核子研究中心（CERN）重子反重子对称实验（BASE）的新实验，直接研究质子和反质子的基本性质。

根据标准模型，物质和反物质粒子可以有所不同，例如它们转化为其他粒子的方式不同，但它们的大部分属性，包括它们的质量，应该是相同的。

发现质子和反质子的质量之间，或者它们的电荷和质量之间的任何微小差别，都会打破标准模型的基本对称性，即CPT对称性，并指向该模型之外的新物理现象。

这种差异也可以解释为什么宇宙几乎完全由普通物质组成，尽管在大爆炸中应该产生了等量的反物质。

与标准模型一致的普通物质和反物质粒子之间的差异在数量级上更小，从而能够解释观测到的宇宙不平衡。

为了测量质子和反质子，BASE合作组织的物理学家将反质子和带负电荷的氢离子（带负电荷的质子的代表）限制在一种称为Penning的最先进的粒子阱中。（译者注：普通的氢离子由于失去了核外电子，所以只剩下带正电的质子）

在这个装置中，粒子以接近回旋频率的周期轨迹运动，该频率与陷阱的磁场强度和粒子的荷质比成正比。

交替地将反质子和带负电荷的氢离子分别注入阱中，在相同的条件下，研究人员测量了这两种粒子的回旋频率，并比较了它们的荷质比。在2017年12月至2019年5月期间进行了四次测量，这些测量结果产生了超过2.4万次回旋频率比较，每次持续260秒。

通过这些比较，加上质子和带负电荷的氢离子之间的差异，BASE团队发现质子和反质子的荷质比在万亿分之16以内。

BASE合作组织的发言人Stefan Ulmer博士说:“这个结果比之前最好的结果精确了四倍，用的是现在最精确测量反质子性质的方法。”

“为了达到这一精度，我们对实验进行了相当大的升级，并在反物质工厂关闭时进行了测量，使用的是我们的反质子库，它可以存储反质子数年。”

除了以前所未有的精度对质子和反质子进行比较外，科学家们还利用他们的测量对违反CPT对称性的标准模型之外的模型进行了严格的限制，并测试了一个被称为弱等价原理的基本物理定律。

根据这一原理，在同一引力场中，不同的物体在没有摩擦力的情况下，其加速度是相同的。

由于BASE实验放置在地球表面，其质子和反质子回旋频率测量是在地球表面引力场中进行的。

质子和反质子的引力作用之间的任何差异都会导致质子和反质子回旋频率之间的差异。

在对地球绕太阳公转时变化的重力场进行采样时，BASE研究小组没有发现这种差异，并将这一差异测量的最大值设为三分之一。

“这个极限与那些旨在将反氢置于地球引力场的实验的最初精确目标相当，”乌尔默博士说。

“BASE没有直接将反物质置于地球的引力场中，但我们对引力对重子反物质粒子影响的测量在概念上非常相似，这表明在达到的不确定性水平上，反物质和引力之间没有异常相互作用。”

该团队的研究结果发表在《自然》杂志上。

原文：http://www.sci-news.com/physics/antiproton-proton-charge-mass-ratio-10437.html