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A new test of CPT invariance with light nuclei

A new result has been obtained by the ALICE Collaboration at the CERN Large Hadron Collider (LHC) on the equality of a fundamental property of nuclear matter and anti-matter, the mass. It has been experimentally confirmed on light nuclei to a precision improving the previous limits by factors between 10 and 100.
Current (top) and previous (bottom) relative mass difference between 3He and anti-3He and between deuteron-antideuteron.

DIFA Authors: S. Arcelli, M. Basile, F. Bellini, L. Cifarelli, M. Colocci, B. Guerzoni, G. Scioli, A. Zichichi.

DOI: 10.1038/NPHYS3432

Publication: Alice collaboration. Nature Physics 11, 811–814 (2015)

Authors of the Bologna INFN Division: A. Alici, P. Antonioli, F. Cindolo, D. Hatzifotiadou, A. Margotti, R. Nania, F. Noferini, O. Pinazza, R. Preghenella, E. Scapparone, M.C.S. Williams, C. Zampolli.

Web: ALICE: A Large Ion Collider Experiment

Thanks to the copious production of light nuclei in relativistic heavy-ion (lead) collisions, the ALICE experiment has selected a sample of a million anti-deuterium nuclei and thousands of nuclei of the anti-helium light isotope, and it has measured the mass difference between these anti-nuclei and the corresponding nuclei. The difference is compatible with zero within the experimental uncertainties. This measurement confirms the validity of a fundamental symmetry of nature, the so-called "CPT" (Charge, Parity, Time) symmetry, implying that if a nucleus exists then an anti-nucleus also exists, with the same mass but opposite charge. The new result improves by a factor of 10 to 100 previous limits on the validity of the CPT invariance for light nuclei. The figure shows the new limits on the mass difference for deuteron - anti-deuteron and 3He - anti-3He. The experimental uncertainties of the new measurement (in red) become visible only by changing the scale, as shown in the top insert. This achievement has tight links with the research work done at the Department of Physics and Astronomy (DIFA) of the Bologna University and at the Bologna INFN Division in several ways. The main instrument used for particle identification, the Time of Flight, TOF, detector, has been designed and realized here in Bologna and the analysis was conducted by physicists from Bologna and is the subject of a doctoral thesis.

Nuovo test di invarianza CPT sui nuclei leggeri

Un nuovo risultato dall'acceleratore LHC al CERN è stato raggiunto dalla Collaborazione ALICE dove stata verificata l'uguaglianza di una proprietà fondamentale di materia e antimateria nucleare, la massa. La verifica è così accurata da migliorare di un fattore tra 10 e 100 i precedenti limiti sperimentali, su nuclei leggeri.

Grazie all'abbondante produzione di nuclei leggeri nelle collisioni tra nuclei pesanti di piombo, l'esperimento ALICE è riuscito a selezionare un campione di un milione di nuclei di antideuterio e di migliaia di nuclei dell'isotopo leggero dell'antielio, e a misurare la differenza di massa con i corrispondenti nuclei di materia. Questa differenza, entro le incertezze sperimentali, è risultata pari a zero. La misura conferma la validità di una simmetria fondamentale della natura, la cosiddetta simmetria "CPT" (Carica, Parità, Tempo), in base alla quale se esiste un nucleo, allora esiste anche un antinucleo con la stessa massa, ma carica opposta. Il risultato migliora di un fattore da 10 a 100 limiti precedenti sulla validità  della simmetria CPT per nuclei leggeri. Nella figura sono mostrati i nuovi limiti sulla differenza di massa per deuterio e anti-deuterio e 3He e anti-3He. Le incertezze sperimentali per la nuova misura (in rosso) sono visibili solo cambiando la scala, come mostrato nel riquadro in alto. Questo risultato è connesso al lavoro svolto dal Dipartimento di Fisica  e Astronomia (DIFA) dell’Università  e dalla sezione INFN di Bologna in molti modi: sia strumentale in quanto qui a Bologna è stato realizzato il rivelatore di tempo di volo TOF, essenziale per l’identificazione delle particelle, sia di analisi, in quanto è stata condotta da fisici bolognesi ed è oggetto di una tesi di dottorato.