Esperimento BASE al deceleratore antiprotone del CERN di Ginevra:nell'immagine sono visibili le apparecchiature di controllo, il magnete superconduttore che ospita la trappola di Penning, e il tubo del fascio di trasferimento dell'antiprotone. Credito:Stefan Sellner, Laboratorio di Simmetrie Fondamentali, RIKEN, Giappone
La ricerca continua. Non è stata ancora trovata alcuna differenza tra protoni e antiprotoni che potrebbe aiutare a spiegare potenzialmente l'esistenza della materia nel nostro universo. Però, i fisici della collaborazione BASE presso il centro di ricerca del CERN sono stati in grado di misurare la forza magnetica degli antiprotoni con una precisione quasi incredibile. Tuttavia, i dati non forniscono alcuna informazione su come la materia si sia formata nell'universo primordiale poiché particelle e antiparticelle avrebbero dovuto distruggersi completamente a vicenda. Le più recenti misurazioni BASE hanno invece rivelato un'ampia sovrapposizione tra protoni e antiprotoni, confermando così il Modello Standard della fisica delle particelle. Intorno al mondo, gli scienziati stanno usando una varietà di metodi per trovare qualche differenza, indipendentemente da quanto piccolo. Lo squilibrio materia-antimateria nell'universo è uno dei temi caldi della fisica moderna.
La collaborazione multinazionale BASE presso il centro di ricerca europeo CERN riunisce scienziati del centro di ricerca RIKEN in Giappone, l'Istituto Max Planck di Fisica Nucleare di Heidelberg, Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), l'Università di Tokyo, GSI Darmstadt, Leibniz Universität Hannover, e l'Istituto nazionale tedesco di metrologia (PTB) a Braunschweig. Confrontano le proprietà magnetiche di protoni e antiprotoni con grande precisione. Il momento magnetico è un componente essenziale delle particelle e può essere rappresentato come approssimativamente equivalente a quello di una barra magnetica in miniatura. Il cosiddetto fattore g misura l'intensità del campo magnetico. "Al suo centro, la domanda è se l'antiprotone ha lo stesso magnetismo di un protone, " ha spiegato Stefan Ulmer, portavoce del gruppo BASE. "Questo è l'enigma che dobbiamo risolvere".
La collaborazione BASE ha pubblicato misurazioni ad alta precisione del fattore g dell'antiprotone nel gennaio 2017, ma quelle attuali sono molto più precise. L'attuale misurazione ad alta precisione ha determinato il fattore g fino a nove cifre significative. Questo è l'equivalente di misurare la circonferenza della terra con una precisione di quattro centimetri. Il valore di 2,7928473441(42) è 350 volte più preciso dei risultati pubblicati a gennaio. "Questo enorme aumento in così poco tempo è stato possibile solo grazie a metodi completamente nuovi, " ha detto Ulmer. Il processo ha coinvolto gli scienziati che hanno utilizzato per la prima volta due antiprotoni e li hanno analizzati con due trappole di Penning.
BASE Penning trap system per misurare il movimento magnetico dell'antiprotone. Credito:Stefan Sellner, Laboratorio di Simmetrie Fondamentali, RIKEN, Giappone
Antiprotoni conservati un anno prima dell'analisi
Gli antiprotoni vengono generati artificialmente al CERN e i ricercatori li immagazzinano in una trappola per gli esperimenti. Gli antiprotoni per l'attuale esperimento sono stati isolati nel 2015 e misurati tra agosto e dicembre 2016, che è una piccola sensazione in quanto questo è stato il periodo di conservazione più lungo per l'antimateria mai documentato. Gli antiprotoni di solito vengono rapidamente annichiliti quando entrano in contatto con la materia, come nell'aria. La conservazione è stata dimostrata per 405 giorni sotto vuoto, che contiene dieci volte meno particelle dello spazio interstellare. Sono stati utilizzati un totale di 16 antiprotoni e alcuni di essi sono stati raffreddati a circa zero assoluto o meno 273 gradi Celsius.
Il nuovo principio utilizza l'interazione di due trappole Penning. Le trappole utilizzano campi elettrici e magnetici per catturare gli antiprotoni. Le misurazioni precedenti erano fortemente limitate da una disomogeneità magnetica ultra forte nella trappola di Penning. Per superare questa barriera, gli scienziati hanno aggiunto una seconda trappola con un campo magnetico altamente omogeneo. "Abbiamo quindi utilizzato un metodo sviluppato presso l'Università di Mainz che ha creato una maggiore precisione nelle misurazioni, " ha spiegato Ulmer. "La misurazione degli antiprotoni era estremamente difficile e ci lavoravamo da dieci anni. La svolta finale è arrivata con l'idea rivoluzionaria di eseguire la misurazione con due particelle." Sono state misurate la frequenza di larmor e la frequenza di ciclotrone; prese insieme formano il fattore g.
Il fattore g accertato per l'antiprotone è stato quindi confrontato con il fattore g per il protone, che i ricercatori BASE avevano misurato con la massima precisione precedente già nel 2014. Alla fine, però, non riuscivano a trovare alcuna differenza tra i due. Questa coerenza è una conferma della simmetria CPT, che afferma che l'universo è composto da una simmetria fondamentale tra particelle e antiparticelle. "Tutte le nostre osservazioni trovano una completa simmetria tra materia e antimateria, ecco perché l'universo in realtà non dovrebbe esistere, "ha spiegato Christian Smorra, primo autore dello studio. "Un'asimmetria deve esistere qui da qualche parte, ma semplicemente non capiamo dove sia la differenza. Qual è la fonte della rottura della simmetria?"
Gli scienziati di BASE ora vogliono utilizzare misurazioni di precisione ancora più elevate delle proprietà di protoni e antiprotoni per trovare una risposta a questa domanda. La collaborazione BASE prevede di sviluppare ulteriori metodi innovativi nei prossimi anni e migliorare i risultati attuali.
