Σε επιστημονική δημοσίευση στο περιοδικό διεθνούς κύρους Nature Communications, το πείραμα BASE του CERN αναφέρει την ακριβέστερη ως τώρα μέτρηση της μαγνητικής ροπής αντιπρωτονίου, που επιτρέπει την θεμελιώδη σύγκριση μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Το πείραμα BASE αποδεικνύει ότι οι μαγνητικές ροπές πρωτονίου και αντιπρωτονίου είναι ταυτόσημες, εκτός από τα αντίθετα πρόσημά τους, με πειραματική αβεβαιότητα της τάξης των 0.8 μερών ανά εκατομμύριο. Αυτό το αποτέλεσμα βελτιώνει την ακρίβεια της προηγούμενης καλύτερης μέτρησης που πραγματοποιήθηκε το 2013 από το πείραμα ATRAP, επίσης στο CERN, κατά ένα παράγοντα ίσο με έξι (6).
Στην κλίμακα των στοιχειωδών σωματιδίων, υπάρχει μια σχεδόν τέλεια συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Όμως σε κοσμολογικές κλίμακες η ύλη υπερισχύει της αντιύλης. Για την κατανόηση αυτής της θεμελιώδους αντίφασης, οι φυσικοί θα πρέπει να συγκρίνουν τις θεμελιώδεις ιδιότητες των σωματιδίων και των αντισωματιδίων με μεγάλη ακρίβεια.
Το πείραμα BASE χρησιμοποιεί αντιπρωτόνια από το μοναδικό εργοστάσιο αντιύλης του CERN, τον επιβραδυντή Antiproton Decelerator (AD), και έχει σχεδιαστεί ειδικά για να εκτελεί μετρήσεις ακριβείας των αντισωματιδίων (σωματιδίων αντιὐλης ισοδύναμω ντων κανονικών σωματιδίων ύλης). Η μαγνητική ροπή, η οποία καθορίζει τη συμπεριφορά ενός σωματιδίου βυθισμένου σε μαγνητικό πεδίο, είναι ένα από τα εσωτερικά χαρακτηριστικά σωματιδίων που έχουν μελετηθεί περισσότερο.
Αν και διαφορετικά σωματίδια έχουν διαφορετική μαγνητική συμπεριφορά, οι μαγνητικές ροπές πρωτονίων και αντιπρωτονίων υποτίθεται οτι διαφέρουν μόνο στο πρόσημό τους, ως αποτέλεσμα της λεγόμενης συμμετρίας φορτίου-ισοτιμίας - χρόνου. Οποιαδήποτε διαφορά στα μεγέθη τους θα αποτελούσε πρόκληση για το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και μπορεί να προσφέρει μια ματιά στη νέα φυσική.
Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων το BASE ψύχει τα αντιπρωτόνια σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 1 βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν) και τα παγιδεύει σε περίπλοκους ηλεκτρομαγνητικούς φορείς έτσι ώστε να μην έρχονται σε επαφή με την ύλη και εξαϋλώνονται (χάρη σε αυτές τις συσκευές, το BASE πρόσφατα κατάφερε να αποθηκεύσει μια ποσότητα ανιπρωτονίων για περισσότερο από ένα χρόνο).
Από εδώ, τα αντιπρωτόνια διοχετεύονται ένα-ένα σε περισσότερες παγίδες όπου η συμπεριφορἀ τους υπό την επήρεια μαγνητικών πεδίων επιτρέπει στους επιστήμονες να καθορίσουν την εσωτερική μαγνητική ροπή τους. Παρόμοιες τεχνικές έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στο παρελθόν σε ηλεκτρόνια και τα αντισωματίδιά τους τα ποζιτρόνια, αλλά τα αντιπρωτόνια παρουσιάζουν σαφώς μεγαλύτερη πρόκληση γιατί οι μαγνητικές τους ροπές είναι σημαντικά ασθενέστερες.
Η νέα μέτρηση του BASE απαιτούσε μια ειδικά σχεδιασμένη μαγνητική ῾φιάλη῾ που είναι 1000 φορές ισχυρότερη από εκείνη που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα ηλεκτρονίων /ποζιτρονίων. “Αυτή η μέτρηση αποτελεί το αποκορύφωμα 10 ετών σκληρής εργασίας από την ομάδα του BASE,” είπε ο Stefan Ulmer, επικεφαλής του πειράματος BASE. “Μαζί με άλλα πειράματα AD, κάνουμε πραγματικά γρήγορη πρόοδο στην κατανόηση της αντιύλης”.
Το πείραμα BASE τώρα σχεδιάζει τη μέτρηση της μαγνητικής ροπής του αντιπρωτονίου χρησιμοποιώντας μια νέα μέθοδο παγίδευσης, η οποία επιτρέπει ακρίβεια της τάξης μόλις λίγων μερών ανά εκατομμύριο - κάτι που αντιστοιχεί σε βελτίωση κατά ένα παράγοντα 200-800.
“Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου αποτελεί πολύ μεγαλύτερη πρόκληση απ᾽ ό,τι η προηγούμενη και θα απαιτήσει πολλά πρόσθετα επαναληπτικά βήματα», λέει ο κύριος συγγραφέας της πρόσφατης δημοσίευσης Hiroki Nagahama.
Μετάφραση-Προσαρμογή: Ελένη Χατζηχρήστου
Ελληνικός Σύνδεσμος στο European Particle Physics Communication Network (EPPCN)
