Фізики перевірили виконання CPT-симетрії в процесах трифотонного розпаду ортопозитронію з точністю, яка виявилася втричі більшою, ніж у попередніх пошуках. Вони шукали кореляції між спином ортопозитронію і площиною, в якій поширюються фотони після його анігіляції. Виявлена ними величина виявилася статистично незначною, підтверджуючи таким чином збереження фундаментальної симетрії з точністю 10-4. Дослідження опубліковано в.
CPT-симетрія - це фундаментальна властивість фізичних законів, чиє порушення ще жодного разу не підтверджувалося в експерименті. Згідно з нею, поведінка будь-якої фізичної системи, включаючи весь Всесвіт, не повинна змінитися при одночасній заміні всіх частинок на античастинки, інверсії парності і часу. У фізиці, однак, не прийнято стверджувати, що порушень CPT-інваріантності не існує: вчені воліють говорити про її збереження з деякою точністю, яка визначається похибкою експерименту. Такий підхід передбачає постійний пошук цих порушень, який виражається у зменшенні похибки і постійному звуженні діапазону параметрів, в якому CPT-симетрія могла б не працювати.
Оскільки ця інваріантність стосується всіх типів взаємодії, фізики намагаються шукати її порушення в різних типах матерії. Вони перевіряють цю властивість і на чистих баріонах, і на баріон-лептонних системах, яким належать атоми і антиатоми, і на чистих лептонах. В останньому випадку цікаві електрон-позитронні взаємодії, оскільки вони описуються в рамках квантової електродинаміки, чиї теорія і експеримент досягли точності в 12 знаку після коми. Передбачається, що дослідження кутових кореляцій при розпаді ортопозитронію на три фотони могло б допомогти виявити порушення CPT-симетрії модельно-незалежним способом, але останній подібний експеримент був проведений майже 20 років тому, показавши відносну точність 3 ^ 10-3.
Фізики, які працюють у колаборації J-PET, що базується в Ягеллонському університеті, перевірили порушення CPT-симетрії при розпаді ортопозитронію на три фотони з точністю, що перевищує попередній результат утричі. Установка J-PET являє собою позитронно-емісійний томограф, що складається з циліндричної камери, в якій народжуються позитрони, оточеної кільцем з пластикових сцинтиляторів. Позитронії, тобто пов'язані системи електронів і позитронів, утворюються переважно на поверхні речовини, що оточує джерело. Ці екзотичні атоми досить нестабільні і завдяки анігіляції швидко розпадаються з народженням декількох гамма-квантів, які і детектуються сцинтиляторами.
Оскільки і електрон, і позитрон мають напівцілі спини, результат їх складання може дорівнювати нулю або одиниці. У першому випадку говорять про утворення парапозитронію, який розпадається на два фотони, у другому - ортопозитронія, що розпадається на три фотони. Другий процес представляє інтерес з точки зору перевірки CPT-інваріантності, чиє порушення можна знайти, якщо виявити кореляції між спином позитронія і орієнтацією площини, в якій розлітаються всі три фотони. Якщо конкретніше, фізики розглядають скалярний твір вектора спину на вектор нормалі до площини руху фотонів у системі центру мас ортопозитронію, одержуваного як нормований векторний витвір хвильових векторів двох фотонів з найбільшими енергіями. Рівність нуля цієї величини, усередненої за великою кількістю вимірювань, означатиме відсутність кореляцій і, отже, виконання CPT-симетрії.
Для проведення експерименту автори поміщали в центр камери атоми радіоактивного ізотопу натрію-22. Натрій-22 відчуває бета-розпад з утворенням атома неона-22, позитрона і електронного нейтрино. Позитрони вловлювалися стінкою камери, вкритої мезопористим кремнієм, і утворювали позитронії. Через те, що поляризація позитронів пов'язана з кутом, під яким вони вилітають з джерела, фізики могли отримати інформацію про спину ортопозитронію, відновлюючи інформацію про його місце розташування в камері за продуктами його розпаду.
Фізики фіксували високоенергетичні фотони, що розлітаються в різні боки, за сигналом з пластикових сцинтиляторів, розташованих так, щоб точність визначення напрямку становила один градус. Крім безпосередньо трифотонного розпаду ортопозитронію внесок у сигнал давало безліч процесів, наприклад, релаксація збудженого ядра неона з подальшим випромінюванням фотона. Щоб відсіяти нерелевантні сигнали, вчені використовували фільтраційну функцію від форми сигналів, яка визначала характерні сигнатури від трьох фотонів.
Сцинтилятори не давали інформації про енергію фотонів, проте високого кутового і тимчасового дозволу було достатньо для відновлення інформації про положення їх джерела для фільтрованих сигналів. Знаючи напрямок розльоту фотонів, фізики відновлювали їх хвильові вектори, а знаючи положення ортопозитронію - його спин. У сукупності цієї інформації було достатньо для перевірки кореляцій.
Автори провели 26-денний безперервний вимір у серпні 2018 року, в результаті якого зібрали інформацію про більш ніж 7 мільйонів подій. Фізики відфільтрували ті з них, для яких реконструкція мала занадто велику геометричну невизначеність, а також помилкові трифотонні події. В результаті вони з'ясували, що більшість розпадів ортопозитронію відбувається на поверхні стінки камери, як спочатку і передбачалося. Нарешті, середнє значення кореляційного параметра з урахуванням усіх невизначеностей, що викликаються експериментальною установкою, виявилося дорівнює 0,00067 ст.10,00095. Іншими словами, виявлене порушення симетрії виявилося менше стандартного відхилення, рівного 10-4, а тому статистично не значуще.
Автори згадали, що на момент виходу статті вони вдосконалять свою установку, додаючи до неї додатковий шар щільноупакованих сцинтиляторів. Разом з удосконаленням аннігіляційної камери і збільшенням тривалості вимірювання це повинно буде, за їх оцінками, збільшити чутливість вимірювання в 64 рази.
Аннігіляцію електрону і позитрона в пару фотонів поспостерігати відносно просто, а ось зворотний процес: народження електрон-позитронної пари з двох гамма-квантів - довгий час залишався чисто теоретичним. Нещодавно фізики побачили цей процес в периферичних зіткненнях релятивістських ядер золота, а також створили лазер, який в майбутньому дозволить спостерігати народження пар частинка-античастиця прямо з вакууму.