Scienziati della collaborazione BASE, guidato da scienziati RIKEN, hanno sviluppato un nuovo metodo di raffreddamento che consentirà misurazioni più semplici di una proprietà di protoni e antiprotoni chiamata momento magnetico. Questa è una delle proprietà che vengono studiate per risolvere il mistero del perché il nostro universo contenga materia ma quasi nessuna antimateria.

Il nostro universo dovrebbe, sotto il modello standard, hanno la stessa quantità di materia e antimateria, ma in realtà non è così. Per scoprire perché, scienziati di tutto il mondo stanno cercando di scoprire piccole differenze tra i due che potrebbero risolvere il mistero. Una strada promettente è esplorare se ci sono differenze nel momento magnetico del protone e dell'antiprotone, e l'esperimento BASE, con sede al CERN, sta cercando di determinarlo. Utilizzando un dispositivo sofisticato, una trappola Penning in grado di catturare e rilevare una singola particella, il team BASE in passato è stato in grado di migliorare la precisione delle misurazioni del momento magnetico di protoni e antiprotoni di un fattore trenta e di oltre tre ordini di grandezza, rispettivamente, portando a un test di simmetria materia/antimateria a livello di 1,5 parti su un miliardo, trovando essenzialmente che i magneti nel protone e nell'antiprotone sono simili a nove cifre significative.

Una difficoltà, tra le tante, nell'effettuare tali esperimenti è quella di misurare con precisione i momenti magnetici, le particelle devono essere mantenute a temperature prossime allo zero assoluto, -273.15°C. In precedenti esperimenti le temperature fredde sono state preparate utilizzando una tecnica nota come "raffreddamento resistivo selettivo, " che richiede tempo e, secondo i ricercatori, "simile a lanciare un dado con 100 facce, cercando di tirare un 1"

Per l'esperimento in corso, pubblicato in Natura , la collaborazione BASE ha riportato la prima dimostrazione in assoluto di "raffreddamento simpatico" di un singolo protone accoppiando la particella a una nuvola di ioni 9Be+ raffreddati al laser. Il raffreddamento simpatico comporta l'uso di laser o altri dispositivi per raffreddare un tipo di particella, e quindi usare quelle particelle per trasferire il calore della particella che desiderano raffreddare. Con questa tecnica, il gruppo ha raffreddato simultaneamente una modalità risonante di un circuito sintonizzato superconduttore macroscopico con ioni raffreddati al laser, e ottenne anche il raffreddamento simpatico di un singolo protone intrappolato, raggiungendo temperature prossime allo zero assoluto.

La tecnica descritta nel recente articolo è un primo importante passo verso una notevole riduzione delle facce sulla varietà dei dadi, con la visione di ridurre idealmente la superficie ad una sola. "Segnaliamo un primo passo importante, e l'ulteriore sviluppo di questo metodo alla fine porterà a un esperimento di spin-flip ideale, in cui in pochi secondi verrà preparato un singolo protone a bassa temperatura. Questo ci permetterà di determinare lo stato di spin della particella in una sola misurazione che richiede circa un minuto, "dice Christian Smorra, uno degli scienziati a capo dello studio. "Questo è considerevolmente più veloce delle nostre precedenti misurazioni del momento magnetico, e migliorerà sia le statistiche di campionamento che la risoluzione dei nostri studi sistematici, "aggiunge Matthew Bohman, un dottorato di ricerca studente presso l'Istituto Max Planck di fisica nucleare, Heidelberg e il primo autore dello studio.

"Inoltre, il risultato riportato ha applicazioni non solo nelle misurazioni del momento magnetico di protoni/antiprotoni. Aggiunge una nuova tecnologia generale alla cassetta degli attrezzi della fisica di precisione Penning-trap, e ha anche potenziali applicazioni in altre misurazioni del momento magnetico nucleare, confronti ultra precisi dei rapporti carica-massa nelle trappole di Penning, o anche nel potenziare la produzione di antiidrogeno, " aggiunge Stefan Ulmer, portavoce della collaborazione BASE e capo scienziato del RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory.

La collaborazione BASE gestisce tre esperimenti, uno alla fabbrica di antimateria del CERN, uno all'Università di Hannover, e uno all'Università di Mainz, il laboratorio dove il nuovo metodo è stato effettivamente implementato. Lo studio riportato è il risultato della collaborazione congiunta tra RIKEN, la società tedesca Max Planck, le Università di Magonza, Hannover e Tokyo, l'istituto tedesco di metrologia PTB, CERN, e GSI Darmstadt. Il lavoro è stato sostenuto dal Max Planck, RIKEN, Centro PTB per il tempo, costanti e simmetrie fondamentali.