Группа учёных из Японии представила экспериментальные свидетельства сохранения CPT-симметрии в фотонном секторе.

СРТ-симметрию можно описать как свойство законов природы, которые должны быть инвариантны относительно замены частиц на античастицы (charge conjugation, C), инверсии всех пространственных координат (parity inversion, P) и обращения времени (time reversal, T). Известная теорема ассоциирует эту симметрию с лоренц-инвариантностью, которая, в свою очередь, связана с фундаментальным принципом относительности Эйнштейна. Точнее говоря, этот принцип — эквивалентность инерциальных систем отсчёта, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, — в СТО представляют инвариантностью относительно вращений Лоренца во всём (плоском) пространстве-времени. В ОТО, включающей гравитацию и искривления пространства-времени, «общая» инвариантность уже невозможна, но теория остаётся лоренц-инвариантной в локальном смысле — в малой окрестности наблюдателя.

Современные разработки в области квантовой гравитации (теория суперструн, петлевая квантовая гравитация, гравитация Хоржавы) указывают на то, что лоренц-инвариантность может и не относиться к фундаментальным симметриям. При отсутствии лоренц-инвариантности упомянутая выше теорема потеряет силу, а СРТ-симметрию, если она понадобится, придётся искусственно вводить как некое дополнительное условие.

Выяснить, становится это условие необходимым или нет, помогут эксперименты. При их планировании физики опираются на известные следствия нарушения СРТ-симметрии — к примеру, на то, что оно ведёт к небольшому расхождению групповых скоростей фотонов с правой и левой круговыми поляризациями. Расхождение проявляется как вращение вектора поляризации линейно поляризованной волны по мере её распространения.

Отсюда следует, что измерения поляризации излучения, испускаемого каким-либо источником с точно определённым удалением, дают возможность организовать проверку на СРТ-инвариантность. Таким источником в новой работе стал гамма-всплеск — мощный выброс энергии взрывного характера. Выбор неслучаен: яркие гамма-всплески, наблюдаемые на огромных расстояниях от Земли и обеспечивающие широкое распределение фотонов по энергии, часто используются в подобных исследованиях, об одном из которых, обнаружившем «гладкость» пространства-времени вблизи планковской энергии, мы рассказывали на прошлой неделе.

Аппарат IKAROS с развёрнутым солнечным парусом. Детектор GAP смонтирован на той стороне зонда, которая не освещается Солнцем. (Иллюстрация JAXA.)

Цилиндрический GAP и его блок питания (фото JAXA).

Данные для расчётов, которые провели японцы, собирал небольшой (диаметром в 17 и высотой в 16 см) цилиндрический детектор GAP на борту экспериментального аппарата IKAROS, в 2010-м отправленного к Венере под солнечным парусом. В центре GAP находится пластиковый сцинтиллятор с фотоэлектронным умножителем, а вокруг него — 12 детекторов на основе неорганического сцинтиллятора CsI(Tl). Центральная часть работает как комптоновский рассеиватель, а окружающие детекторы, при временнóм совпадении сигналов от пластика и CsI(Tl), регистрируют угловое распределение рассеянных фотонов. Именно это распределение, позволяющее сделать некоторые выводы о поляризации исходного гамма-излучения, и интересовало учёных.

Хотя GAP скопил информацию по нескольким гамма-всплескам, при вычислениях физики учитывали только вспышку GRB 110721A, для которой было найдено точное значение красного смещения z = 0,382. Обработав данные в диапазоне энергий 70–300 кэВ, они установили новое ограничение на величину безразмерного коэффициента ξ, характеризующего меру возможного нарушения лоренц-инвариантности и СРТ-симметрии: |ξ| < 8•10–16. Смысл параметра ξ сводится к тому, что строго нулевое его значение даст нулевую же разность в групповых скоростях между разными состояниями поляризации.

Такое ограничение авторы называют самым строгим из тех, что были получены в ходе прямых наблюдений в фотонном секторе. Действительно, найденный в 2007 году вариант |ξ| < 10–7отличается от указанного примерно на восемь порядков, а данные недавнего исследования поляризации излучения гамма-всплеска GRB041219A, сдвинувшие максимально допустимую величину |ξ| чуть ниже (но не до уровня 10–16), представляются не слишком надёжными.