Przełomowy system może znacznie przyspieszyć badania podstawowych właściwości antymaterii.
Osiągając niższe temperatury uwięzionych antyprotonów, chcą odkryć, dlaczego Wszechświat faworyzuje materię zamiast antymaterii, co jest kluczowym pytaniem w fizyce.
Ulepszenia badań nad antymaterią
Duży przełom pod przewodnictwem RIKEN stanowi znaczący krok w kierunku rozwiązania jednej z największych tajemnic fizyki: dlaczego normalna materia znacznie przewyższa antymaterię we wszechświecie. Zespół opracował najnowocześniejszy system chłodzenia zdolny do szybkiego zmniejszania energii uwięzionych antyprotonów, zwiększając precyzję eksperymentów badających tę kosmiczną nierównowagę.
Protony dominują w otaczającym nas wszechświecie. Na przykład pojedyncza kostka lodu zawiera zdumiewającą liczbę kilku septylionów (1024) protony i z nich pochodzi około połowa masy naszego ciała. Dla kontrastu antyprotony – cząstki o tej samej masie co protony, ale o przeciwnym ładunku – są niezwykle rzadkie.
Ta ogromna rozbieżność, obejmująca wszystkie cząstki i ich odpowiedniki w antymaterii, stawia fundamentalne pytanie we współczesnej fizyce: dlaczego dzisiejszy Wszechświat składa się prawie wyłącznie z materii, mimo że we wczesnych stadiach ewolucji powinny były powstać równe ilości materii i antymaterii? kosmos?
Postępy w precyzyjnych pomiarach antymaterii
Ponieważ antycząstki można obecnie wytwarzać w laboratorium, jednym ze sposobów odkrycia przyczyny tej nierównowagi jest pomiar właściwości cząstek antymaterii z niezwykle dużą precyzją. Fizycy będą mogli następnie sprawdzić, czy istnieje choćby najmniejsza różnica we właściwościach par materii i antymaterii, która mogłaby prowadzić do stopniowego zanikania antymaterii w kosmicznych skalach czasu.
Taki jest cel badaczy i współpracowników RIKEN z eksperymentu Barion Antibaryon Symmetry Experiment (BASE), zlokalizowanego przy jedynym na świecie działającym źródle schłodzonych antyprotonów — Deceleratorze Antyprotonów w CERN na granicy francusko-szwajcarskiej. Jednak jak dotąd nie wykryto takiej asymetrii między protonami i antyprotonami w granicach rozdzielczości układu eksperymentalnego.
Innowacje w technikach chłodzenia cząstek
Stefan Ulmer, który kieruje Laboratorium Podstawowych Symetrii RIKEN Ulmer, kieruje współpracą badawczą BASE w celu znacznej poprawy rozdzielczości pomiarów różnych właściwości antyprotonów poprzez szybsze chłodzenie uwięzionych cząstek.
„Eksperyment BASE składa się z czterech pułapek Penninga, które wychwytują pojedyncze naładowane cząstki za pomocą kombinacji statycznych pól magnetycznych i elektrycznych” – wyjaśnia Ulmer. „Te pułapki pozwalają nam obserwować pojedyncze cząstki przez lata, co pozwala nam osiągnąć bardzo wysokie wyniki dokładność i prowadzić badania w najwyższej rozdzielczości.”
Rozdzielczość pomiaru jest ograniczona temperaturą antyprotonu – im chłodniejszy jest antyproton, tym mniejsza jest jego amplituda oscylacji i tym mniej wrażliwy jest na zewnętrzne źródła szumu, co umożliwia badaczom lepsze poznanie jego podstawowych właściwości.
Wzmocnienie badań nad antyprotonami dzięki nowej technologii
Taka jest motywacja stojąca za nowym, wyrafinowanym systemem chłodzenia opracowanym przez zespół Ulmera.
„Nasz rezystancyjny system chłodzenia wykorzystuje butelkę magnetyczną do skutecznego oddzielania bardzo zimnych cząstek” – mówi Ulmer. „To złożony technicznie system, składający się z kilku ultraczułych detektorów nadprzewodzących i innych urządzeń, które przemieszczają antyprotony między dwiema pułapkami bez ogrzewania”.
Nowy układ chłodzenia znacznie poprawia częstotliwość próbkowania danych. To z kolei powinno znacznie poprawić dokładność mierzonych stałych podstawowych, zwiększając prawdopodobieństwo dostrzeżenia maleńkich różnic między protonami i antyprotonami.
Więcej informacji na temat tego badania można znaleźć w artykule Nowy eksperyment CERN rzuca wyzwanie fizyce konwencjonalnej.
Odniesienie: „Udoskonalone chłodzenie w trybie cyklotronowym o rzędach wielkości dla nieniszczącej spektroskopii kwantowego przejścia spinowego z antyprotonami z pojedynczą pułapką” autorstwa BASE Collaboration, BM Latacz, M. Fleck, JI Jäger, G. Umbrazunas, BP Arndt, SR Erlewein, EJ Wursten, JA Devlin, P. Micke, F. Abbass, D. Schweitzer, M. Wiesinger, C. Will, H. Yildiz, K. Blaum, Y. Matsuda, A. Mooser, C. Ospelkaus, C. Smorra, A. Soter, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki i S. Ulmer, 1 sierpnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
