Test CPT - precyzyjny pomiar różnicy mas lekkich jąder i antyjąder w eksperymencie ALICE Opublikowano w NATURE Physics vol. 11, Oct. 2015 (DOI: 10.10.1038/NPHYS3432) Motywacja Eksperyment ALICE i jego możliwości Analiza danych Wyniki 5/8/2019 Marek Kowalski IFJ PAN

Symetria CPT Sprzężenie ładunkowe P i CP są łamane w oddziaływaniach słabych. W większości teorii CPT jest symetrią ścisłą Lustrzane odbicie Zmiana strzałki czasu Naruszenie P, C i T oraz zachowanie CPT jest konsekwencją istnienia 3 generacji cząstek elementarnych

Co oznacza niezmienniczość względem symetri CPT? W lustrzanym odbiciu Wszechświata, gdzie pozycje wszystkich obiektów zostały odbite względem arbitralnej płaszczyzny (zmiana parzystości P), ich pędy zmieniły znak (inwersja czasowa T), a ładunek elektryczny został zmieniony na przeciwny (inversja C), obowiązują takie same prawa fizyki jak w naszym Wszechświecie. Symetria CPT wymaga, aby masy cząstek i antycząstek były takie same Róznica mas między cząstkami i ich antycząstkami test na niezmienniczość CPT Twierdzenie CPT róznica właściwości materii i antymaterii jest całkowicie opisana przez symetrię C. Symetria C nie zmienia masy grawitacyjnej cząstki, a więc masa grawitacyjna cząstki i antycząstki powinna byc taka sama nie ma miejsca na antygrawitację. Równość mas nie pozwala na podstawie obserwacji elektromagnetycznej czy grawitacyjnej stwierdzić, czy odległy obiekt jest zbudowany z materii czy antymaterii Ale gdyby te masy były różne…

Implikacje kosmologiczne Dlaczego Wszechświat wygląda tak… A nie tak… Skąd wzięła się asymetria materia ↔ antymateria? Wszelkie różnice między materią i antymaterią są ciekawe dlatego to badamy 5/8/2019 Marek Kowalski IFJ PAN

ALICE detector

Akceptancja detektora ALICE jest przede wszystkim detektorem obszaru centralnego(|η|<1) azimuthally asymmetric

Zdolności rozdzielcze pT, dE/dx i tTOF

Identyfikacja cząstek w ALICE ALICE używa wszystkich znanych metod identyfikacji cząstek Straty energii na jonizację w TPC Połączona informacja TOF + TPC

Analiza danych Pb+Pb 𝑆 𝑁𝑁 =2.76 TeV Użyte detektory: ITS – wyznaczenie wierzchołka oddziaływania TPC – wyznaczenie pędu, ładunku i strat energii na jonizację (dE/dx) TOF – pomiar czasu przelotu cząstki - identyfikacja (wyznaczenie masy) Połączona informacja z ITS i TPC daje dokładny pomiar sztywności magnetycznej (p/Z) Analiza została przeprowadzona w obszarze centralnym |η| < 0.8

Eliminacja tła – tło jest tego samego rzędu co sygnał i pochodzi od śladów błędnie przypisanych do hitu w TOF. W celu redukcji takiego tła zastosowano cięcie 2σ wokół spodziewanego sygnału dE/dx z TPC. Takie cięcie redukuje tło do 4% dla sztywności magnetycznej p/|Z| poniżej 2 GeV dla deuteronu i do 1% dla całego zakresu sztywności magnetycznej dla 3He. Wyznaczanie masy – fit do rozkładu µ2=(m/Z)2 w wąskich przedziałach p/|Z| i η. Dopasowywana funkcja – Gauss + eksponencjalny “ogon”.

𝑚 𝑍 2 = 𝑝 𝑍 2 𝑡 𝑇𝑂𝐹 𝐿 2 − 1 𝑐 2 Taki wybór zmiennej jest podyktowany jej lepszym gaussowskim zachowaniem niż samej masy Masa jest mierzona jako pozycja piku dopasowanej krzywej.

Wyniki Źródła głównych niepewności systematycznych: Mierzono róznicę mas w celu zminimalizowania niepewności systematycznych. Źródła głównych niepewności systematycznych: Deuterony : Pozycjonowanie detektorów (~0.7 x 10-4) Kryteria selekcji w TPC (~0.7 x 10-4) Cząstki wtórne (~1.0 x 10-4) 3He: Poprawki na straty energii (~0.7 x 10-3) Procedura dopasowania (fit) (~0.5 x 10-3) Kryteria selekcji w TPC (~0.4 x 10-3)

Różnica mas cząstki i antycząstki w funkcji sztywności magnetycznej

Test CPT – różnica mas ∆ 𝜇 𝑑 𝑑 = 1.7±0.9 𝑠𝑡𝑎𝑡 ±2.6 𝑠𝑦𝑠𝑡 × 10 −4 GeV/ 𝑐 2 ∆ 𝜇 3 𝐻𝑒 3 𝐻𝑒 = −1.7±1.2 𝑠𝑡𝑎𝑡 ±1.4 𝑠𝑦𝑠𝑡 × 10 −3 GeV/ 𝑐 2 ∆ 𝜇 𝑑 𝑑 𝜇 𝑑 = 0.9±0.5 𝑠𝑡𝑎𝑡 ±1.4 𝑠𝑦𝑠𝑡 × 10 −4 ∆ 𝜇 3 𝐻𝑒 3 𝐻𝑒 𝜇 3 𝐻𝑒 = −1.2±0.9 𝑠𝑡𝑎𝑡 ±1.0 𝑠𝑦𝑠𝑡 × 10 −3 Wartości 𝜇 𝑑 𝜇 3 𝐻𝑒 rekomendowane przez CODATA Wyniki kompatybilne z “0” -> zgodność z przewidywaniami CPT

Test CPT - różnica energii wiązania 𝜖 𝐴 =𝑍 𝑚 𝑝 + 𝐴−𝑍 𝑚 𝑛 − 𝑚 𝐴 Wielkość εA pozwala wydzielić ewentualne łamanie CPT niezwiązane z różnicą mas cząstki i antycząstki (limit otrzymany z systemu p/anty-p = 7 x 10-10) ∆ 𝜖 𝑑 𝑑 𝜖 𝑑 =−0.04±0.05 𝑠𝑡𝑎𝑡 ±0.12 𝑠𝑦𝑠𝑡 ∆ ∈ 3 𝐻𝑒 3 𝐻𝑒 ∈ 3 𝐻𝑒 =0.24±0.16 𝑠𝑡𝑎𝑡 ±0.18 𝑠𝑦𝑠𝑡 Wynik kompatybilny z “0”

Wyniki ALICE są od 1 do 2 rzędów wielkości lepsze, niż takie same otrzymane w sektorze jądrowym 40-50 lat temu CPT ma się dobrze!

A jak dobrze? Całkiem dobrze…