Una collaborazione internazionale di scienziati dell'Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory (FSL) di RIKEN, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Istituto Max Planck per la fisica nucleare, Heidelberg e GSI Darmstadt, hanno utilizzato tecniche di alta precisione per effettuare la misurazione più precisa fino ad oggi del momento magnetico del protone, trovando che è 2.79284734462 più o meno 0,00000000082 magnetoni nucleari, l'unità tipicamente utilizzata per misurare questa proprietà. Il momento magnetico, una proprietà delle particelle che dà origine al magnetismo, è una delle proprietà fondamentali del protone ed è la chiave per comprendere proprietà come la struttura degli atomi.

È stato necessario un lavoro scrupoloso per effettuare queste misurazioni senza precedenti, che hanno una precisione migliore di una parte per miliardo. Primo, i ricercatori hanno dovuto isolare un singolo protone, non due o tre, nella trappola. Lo hanno fatto rilevando il segnale termico degli ioni bloccati nella trappola, e poi usando un campo elettrico per eliminarli finché non ne rimaneva uno solo.

La chiave per la straordinaria precisione, però, era una combinazione di ingegneria estremamente difficile unita alla capacità di trasportare il protone tra due diverse trappole.

Il metodo del gruppo per misurare direttamente il momento magnetico di una particella si basa sul fatto che un protone in una trappola di Penning allinea il suo spin con il campo magnetico della trappola. Il metodo di base consiste nell'utilizzare il rilevatore per misurare due frequenze, note come frequenza di Larmor (precessione di spin) e frequenza di ciclotrone del protone in un campo magnetico. Questi possono essere usati per trovare il momento magnetico. La frequenza di ciclotrone del protone può essere misurata usando il cosiddetto teorema di invarianza di Brown-Gabrielse, mentre la frequenza di Larmor può essere misurata guidando spin flip, usando un segnale a radiofrequenza che riscalda la particella, e misurando la probabilità di spin flip in funzione della frequenza di guida.

La già elevata precisione di queste misurazioni può essere ulteriormente potenziata, però, utilizzando il metodo della doppia trappola, dove viene misurata la frequenza del ciclotrone e vengono indotte le transizioni di spin in una prima trappola. Il protone viene quindi accuratamente trasportato in una seconda trappola, dove lo stato di spin viene rilevato utilizzando una grande disomogeneità magnetica:una bottiglia magnetica. La separazione spaziale della misurazione della frequenza ad alta precisione e del rilevamento dello stato di rotazione rende possibili misurazioni estremamente precise.

Per gli esperimenti in corso, sono stati utilizzati tre singoli protoni per un totale di 1, 264 cicli sperimentali, ciascuno dura circa 90 minuti. L'intero esperimento ha richiesto circa quattro mesi, inclusi manutenzione e controlli incrociati sistematici.

Secondo Georg Schneider, il primo autore del saggio, "Per andare avanti nella fisica delle particelle, abbiamo bisogno di strutture ad alta energia o misurazioni super precise. Con il nostro lavoro stiamo imboccando la seconda strada, e speriamo in futuro di fare esperimenti simili con antiprotoni usando la stessa tecnica. Questo ci permetterà di comprendere meglio, Per esempio, struttura atomica."

Secondo Andreas Mooser, secondo autore dello studio e membro di RIKEN FSL, "Guardare avanti, usando questa tecnica, saremo in grado di effettuare misurazioni altrettanto precise dell'antiprotone all'esperimento BASE al CERN, e questo ci permetterà di cercare ulteriori indizi sul perché non c'è antimateria nell'universo oggi".

L'opera è stata pubblicata il 23 novembre in Scienza .