In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza , l'esperimento ASACUSA al CERN ha riportato una nuova misurazione di precisione della massa dell'antiprotone rispetto a quella dell'elettrone. Questo risultato si basa su misurazioni spettroscopiche con circa 2 miliardi di atomi di elio antiprotonici raffreddati a temperature estremamente basse da 1,5 a 1,7 gradi sopra lo zero assoluto. Negli atomi di elio antiprotonici un antiprotone prende il posto di uno degli elettroni che normalmente orbiterebbero attorno al nucleo. Tali misurazioni forniscono uno strumento unico per confrontare con elevata precisione la massa di una particella di antimateria con la sua controparte di materia. I due dovrebbero essere rigorosamente identici.

"Un numero piuttosto elevato di atomi contenenti antiprotoni è stato raffreddato al di sotto di -271 gradi Celsius. È piuttosto sorprendente che un atomo di "mezza antimateria" possa essere reso così freddo semplicemente mettendolo in un gas refrigerato di normale elio, " disse Masaki Hori, capogruppo presso la collaborazione ASACUSA.

Le particelle di materia e antimateria vengono sempre prodotte come coppia nelle collisioni di particelle. Particelle e antiparticelle hanno la stessa massa e carica elettrica opposta. Il positrone caricato positivamente, Per esempio, è un anti-elettrone, l'antiparticella dell'elettrone caricato negativamente. I positroni sono stati osservati dagli anni '30, sia nelle collisioni naturali dei raggi cosmici che negli acceleratori di particelle. Sono utilizzati oggi in ospedale negli scanner PET. Però, studiare le particelle di antimateria con alta precisione rimane una sfida perché quando materia e antimateria entrano in contatto, si annientano – scomparendo in un lampo di energia.

L'Antiproton Decelerator del CERN è una struttura unica che fornisce fasci di antiprotoni a bassa energia per esperimenti per studi sull'antimateria. Per effettuare misurazioni con questi antiprotoni, diversi esperimenti li intrappolano per lunghi periodi utilizzando dispositivi magnetici. L'approccio di ASACUSA è diverso in quanto l'esperimento è in grado di creare atomi ibridi molto speciali costituiti da una miscela di materia e antimateria:questi sono gli atomi di elio antiprotonici composti da un antiprotone e un elettrone che orbitano attorno a un nucleo di elio. Sono realizzati mescolando antiprotoni con gas elio. In questa miscela, circa il 3% degli antiprotoni sostituisce uno dei due elettroni dell'atomo di elio. Nell'elio antiprotonico, l'antiprotone è in orbita attorno al nucleo di elio, e protetto dalla nube di elettroni che circonda l'intero atomo, rendendo l'elio antiprotonico sufficientemente stabile per misurazioni di precisione.

La misurazione della massa dell'antiprotone viene effettuata mediante spettroscopia, proiettando un raggio laser sull'elio antiprotonico. Sintonizzare il laser sulla giusta frequenza fa sì che gli antiprotoni effettuino un salto quantico all'interno degli atomi. Da questa frequenza si può calcolare la massa dell'antiprotone relativa alla massa dell'elettrone. Questo metodo è stato utilizzato con successo in precedenza dalla collaborazione ASACUSA per misurare con elevata precisione la massa dell'antiprotone. Però, il movimento microscopico degli atomi di elio antiprotonici ha introdotto una significativa fonte di incertezza nelle misurazioni precedenti.

Il nuovo importante traguardo della collaborazione, come riportato in Scienza , è che ASACUSA è ora riuscita a raffreddare gli atomi di elio antiprotonico a temperature prossime allo zero assoluto sospendendoli in un gas tampone di elio molto freddo. In questo modo, il movimento microscopico degli atomi è ridotto, migliorare la precisione della misurazione della frequenza. La misurazione della frequenza di transizione è stata migliorata di un fattore da 1,4 a 10 rispetto agli esperimenti precedenti. Gli esperimenti sono stati condotti dal 2010 al 2014, con circa 2 miliardi di atomi, corrispondenti a circa 17 femtogrammi di elio antiprotonico.

Secondo le teorie standard, ci si aspetta che protoni e antiprotoni abbiano esattamente la stessa massa. Ad oggi, non è stata trovata alcuna differenza tra le loro masse, ma spingere i limiti di precisione di questo confronto è un test molto importante di principi teorici chiave come la simmetria CPT. CPT è una conseguenza delle simmetrie di base dello spazio-tempo, come la sua isotropia in tutte le direzioni. L'osservazione anche di una minima rottura del CPT richiederebbe una revisione delle nostre ipotesi sulla natura e le proprietà dello spazio-tempo.

La collaborazione ASACUSA è fiduciosa di poter migliorare ulteriormente la precisione della massa dell'antiprotone utilizzando due raggi laser. Nel futuro prossimo, l'avvio della struttura ELENA al CERN consentirà inoltre di migliorare la precisione di tali misurazioni.