W ramach współpracy BASE w CERN opracowano nową metodę szybszego chłodzenia antyprotonów, umożliwiającą dokładniejsze pomiary ich masy i momentu magnetycznego. Ten przełom może pomóc w odkryciu asymetrii między materią i antymaterią, kwestionując obecny standardowy model fizyki cząstek elementarnych.
Zespół BASE przy CERN udoskonalił techniki chłodzenia antyprotonów, umożliwiając szybsze i bardziej precyzyjne pomiary, które podważają istniejące teorie symetrii materii i antymaterii, potencjalnie zmieniając nasze rozumienie składu Wszechświata.
Dlaczego wszechświat zawiera materię i praktycznie nie zawiera antymaterii? Międzynarodowa współpraca badawcza BASE w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) w Genewie, kierowana przez profesora dr Stefana Ulmera z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie (HHU), dokonała znaczącego przełomu eksperymentalnego w odpowiedzi na tę kwestię. Opracowali metodę pomiaru masy i momentu magnetycznego antyprotonów z niespotykaną dotąd precyzją, która może pomóc odkryć możliwe asymetrie między materią i antymaterią. Jak donosi czasopismo naukowe, zespół BASE zaprojektował pułapkę, która może chłodzić pojedyncze antyprotony znacznie szybciej niż było to wcześniej możliwe Listy z przeglądu fizycznego.
Po Wielki Wybuch ponad 13 miliardów lat temu Wszechświat był pełen wysokoenergetycznego promieniowania, które stale wytwarzało pary materii i cząstek antymaterii, takie jak protony i antyprotony. Kiedy taka para zderza się, cząstki ulegają anihilacji i ponownie przekształcają się w czystą energię. Podsumowując, powinny powstać i ponownie unicestwić dokładnie te same ilości materii i antymaterii, co oznacza, że w konsekwencji Wszechświat powinien być w dużej mierze pozbawiony materii.
„Podwójna pułapka chłodząca demona Maxwella” opracowana w ramach współpracy BASE. Można go stosować do bardzo szybkiego schładzania antyprotonów do temperatur niezbędnych do bardzo precyzyjnych pomiarów. Źródło: BASE-Collaboration / Stefan Ulmer
Jednakże istnieje wyraźny brak równowagi – asymetria – ponieważ obiekty materialne istnieją. Wygenerowano minimalną ilość więcej materii niż antymaterii – co jest sprzeczne ze standardowym modelem fizyki cząstek elementarnych. Dlatego fizycy od dziesięcioleci starają się rozszerzyć model standardowy. W tym celu potrzebne są im także niezwykle precyzyjne pomiary podstawowych parametrów fizycznych.
Rola współpracy BASE
Jest to punkt wyjścia dla współpracy BASE („Eksperyment z symetrią antybarionu barionowego”). Uczestniczą w nim uniwersytety w Düsseldorfie, Hanowerze, Heidelbergu, Moguncji i Tokio, Szwajcarski Federalny Instytut Technologii w Zurychu oraz ośrodki badawcze w CERN w Genewie, Centrum GSI Helmholtz w Darmstadt, Instytut Fizyki Jądrowej Maxa Plancka w Heidelbergu, Narodowy Instytut Metrologii w Niemczech (PTB) w Brunszwiku i RIKEN w Wako/Japonia.
„Główne pytanie, na które szukamy odpowiedzi, brzmi: czy cząstki materii i odpowiadające im cząstki antymaterii ważą dokładnie tyle samo i mają dokładnie takie same momenty magnetyczne, czy też istnieją drobne różnice?” wyjaśnia profesor Stefan Ulmer, rzecznik BASE. Jest profesorem w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na HHU, prowadzi także badania w CERN i RIKEN.
Fizycy chcą dokonać pomiarów o niezwykle wysokiej rozdzielczości tzw. odwrócenia spinu – kwantowych przejść spinu protonu – dla pojedynczych, ultrazimnych, a przez to niezwykle niskoenergetycznych antyprotonów; czyli zmiana orientacji spinu protonu. „Na podstawie zmierzonych częstotliwości przejść możemy między innymi określić moment magnetyczny antyprotonów – że tak powiem, ich maleńkie wewnętrzne magnesy sztabkowe” – wyjaśnia Ulmer, dodając: „Celem jest obserwowanie z niespotykaną dotychczas dokładność czy te magnesy sztabkowe w protonach i antyprotonach mają tę samą siłę.
Pułapkę można wykorzystać do pomiaru przejść spinowych antyprotonów z najwyższą dokładnością. Źródło: BASE-Collaboration / Barbara Maria Latacz
Przygotowanie poszczególnych antyprotonów do pomiarów w sposób umożliwiający osiągnięcie takiej dokładności jest niezwykle czasochłonnym zadaniem eksperymentalnym. Współpraca BASE zrobiła obecnie zdecydowany krok naprzód w tym zakresie.
Doktor Barbara Maria Latacz z CERN i główna autorka badania, które zostało właśnie opublikowane jako „sugestia redaktora” w czasopiśmie Physical Review Letters, mówi: „Potrzebujemy antyprotonów o maksymalnej temperaturze 200 mK, czyli wyjątkowo zimnych cząstek. Tylko w ten sposób można rozróżnić różne stany kwantowe spinu. W przypadku poprzednich technik schładzanie antyprotonów, które otrzymaliśmy z kompleksu akceleratorów CERN, do tej temperatury zajmowało 15 godzin. Nasza nowa metoda chłodzenia skraca ten okres do ośmiu minut.”
Naukowcy osiągnęli to poprzez połączenie dwóch tak zwanych pułapek Penninga w jedno urządzenie, „podwójną pułapkę chłodzącą demona Maxwella”. Pułapka ta umożliwia celowe przygotowanie wyłącznie najzimniejszych antyprotonów i wykorzystanie ich do późniejszego pomiaru odwrócenia spinu; cieplejsze cząstki są odrzucane. Eliminuje to czas potrzebny na ochłodzenie cieplejszych antyprotonów.
Znacząco krótszy czas chłodzenia jest niezbędny do uzyskania wymaganych statystyk pomiarowych w znacznie krótszym czasie, co pozwala na dalsze zmniejszenie niepewności pomiarowych. Latacz: „Potrzebujemy co najmniej 1000 pojedynczych cykli pomiarowych. W przypadku naszej nowej pułapki potrzebujemy do tego czasu pomiaru wynoszącego około miesiąca – w porównaniu z prawie dziesięcioma latami przy stosowaniu starej techniki, czego nie dałoby się zrealizować eksperymentalnie”.
Ulmer: „Dzięki pułapce BASE byliśmy już w stanie zmierzyć, że momenty magnetyczne protonów i antyprotonów różnią się maksymalnie. jedna miliardowa – mówimy o 10-9. Udało nam się poprawić poziom błędów identyfikacji spinu ponad 1000 razy. Mamy nadzieję, że w następnej kampanii pomiarowej poprawimy dokładność momentu magnetycznego do 10-10.”
Profesor Ulmer o planach na przyszłość: „Chcemy zbudować mobilną pułapkę na cząstki, za pomocą której będziemy mogli transportować antyprotony powstałe w CERN w Genewie do nowego laboratorium w HHU. Zostało to skonfigurowane w taki sposób, że możemy mieć nadzieję na poprawę dokładności pomiarów co najmniej o kolejny współczynnik 10.”
Wstęp: Pułapki na cząstki elementarne
Pułapki mogą przechowywać pojedyncze elektrycznie naładowane cząstki podstawowe, ich antycząstki, a nawet jądra atomowe przez długi czas, wykorzystując pola magnetyczne i elektryczne. Możliwe są okresy przechowywania przekraczające dziesięć lat. Następnie w pułapkach można dokonać ukierunkowanych pomiarów cząstek.
Istnieją dwa podstawowe typy konstrukcji: Tak zwane pułapki Paula (opracowane przez niemieckiego fizyka Wolfganga Paula w latach pięćdziesiątych XX wieku) wykorzystują zmienne pola elektryczne do zatrzymywania cząstek. „Pułapki Penninga” opracowane przez Hansa G. Dehmelta wykorzystują jednorodne pole magnetyczne i elektrostatyczne pole kwadrupolowe. Obaj fizycy otrzymali za swoje odkrycia Nagrodę Nobla w 1989 roku.
Odniesienie: „Ulepszone 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
