Il team BASE del CERN ha migliorato le tecniche di raffreddamento degli antiprotoni, consentendo misurazioni più rapide e precise che sfidano le attuali teorie sulla simmetria materia-antimateria, rimodellando potenzialmente la nostra comprensione della composizione dell’universo.
Un passo avanti verso la comprensione della simmetria materia-antimateria
Perché l’universo contiene materia e praticamente nessuna antimateria? La collaborazione di ricerca internazionale BASE presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) di Ginevra, guidata dal professor Dr. Stefan Ulmer della Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU), ha fatto un importante passo avanti sperimentale nell’affrontare questa domanda.
Il team ha sviluppato un metodo per misurare la massa e il momento magnetico degli antiprotoni con una precisione senza precedenti, che potrebbe aiutare a scoprire possibili asimmetrie tra materia e antimateria. Essi hanno progettato una trappola in grado di raffreddare singoli antiprotoni molto più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza, come riportato nella rivista scientifica Physical Review Letters.
Dopo il Big Bang, più di 13 miliardi di anni fa, l’universo era pieno di radiazioni ad alta energia, che generavano costantemente coppie di particelle di materia e antimateria come protoni e antiprotoni. Quando una coppia del genere si scontra, le particelle vengono annientate e convertite di nuovo in energia pura. Quindi, tutto sommato, esattamente le stesse quantità di materia e antimateria dovrebbero essere generate e annientate di nuovo, il che significa che l’universo dovrebbe essere in gran parte privo di materia di conseguenza.
Nonostante la previsione teorica di una creazione simmetrica di materia e antimateria nel Big Bang, l’evidente predominanza della materia nell’universo osservabile indica un’asimmetria fondamentale. Questo mistero ha spinto i fisici a cercare, da decenni, estensioni del Modello Standard che possano spiegare tale squilibrio. Per raggiungere questo obiettivo, sono indispensabili misurazioni sperimentali sempre più precise delle costanti fondamentali della natura.
Questo è il punto di partenza per la collaborazione BASE (“Baryon Antibaryon Symmetry Experiment”) che coinvolge le università di Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Magonza e Tokyo, lo Swiss Federal Institute of Technology di Zurigo e le strutture di ricerca del CERN di Ginevra, il GSI Helmholtz Centre di Darmstadt, il Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, il National Metrology Institute of Germany (PTB) di Braunschweig e il RIKEN di Wako/Giappone.
Il professor Stefan Ulmer, portavoce di BASE e professore presso l’Institute for Experimental Physics presso l’HHU che conduce anche ricerche presso il CERN e il RIKEN, ha spiegato: “La domanda centrale a cui stiamo cercando di rispondere è: le particelle di materia e le loro corrispondenti particelle di antimateria pesano esattamente lo stesso e hanno esattamente gli stessi momenti magnetici, oppure ci sono minuscole differenze”?
Materia: misurazioni senza precedenti
I fisici vogliono effettuare misurazioni ad altissima risoluzione del cosiddetto spin-flip, ovvero delle transizioni quantistiche dello spin del protone, per singoli antiprotoni ultra-freddi e quindi a bassissima energia; vale a dire il cambiamento di orientamento dello spin del protone.
Ulmer ha aggiunto: “Dalle frequenze di transizione misurate, possiamo, tra le altre cose, determinare il momento magnetico degli antiprotoni, i loro minuscoli magneti a barra interni, per così dire. L’obiettivo è vedere con un livello di accuratezza senza precedenti se questi magneti a barra in protoni e antiprotoni hanno la stessa forza”.
Preparare singoli antiprotoni per le misurazioni in un modo che consenta di raggiungere tali livelli di accuratezza è un compito sperimentale che richiede molto tempo. La collaborazione BASE ha ora compiuto un decisivo passo avanti in questo senso.
La dott.ssa Barbara Maria Latacz del CERN e autrice principale dello studio, ha affermato: “Abbiamo bisogno di antiprotoni con una temperatura massima di 200 mK, ovvero particelle estremamente fredde. Questo è l’unico modo per differenziare tra vari stati quantici di spin. Con le tecniche precedenti, ci volevano 15 ore per raffreddare gli antiprotoni, che abbiamo ottenuto dal complesso di acceleratori del CERN, a questa temperatura. Il nostro nuovo metodo di raffreddamento riduce questo periodo a otto minuti”.
I ricercatori hanno ottenuto questo risultato combinando due cosiddette trappole di Penning in un singolo dispositivo, una “doppia trappola di raffreddamento del demone di Maxwell”. Questo consente di preparare solo gli antiprotoni più freddi in modo mirato e di utilizzarli per la successiva misurazione dello spin-flip; le particelle più calde vengono rifiutate. Ciò elimina il tempo necessario per raffreddare gli antiprotoni più caldi.
Il tempo di raffreddamento significativamente più breve è necessario per ottenere le statistiche di misurazione richieste in un periodo di tempo significativamente più breve, in modo che le incertezze di misurazione possano essere ulteriormente ridotte.
La dott.ssa Latacz ha commentato: “Abbiamo bisogno di almeno 1.000 cicli di misurazione individuali. Con la nostra nuova trappola, ci occorre un tempo di misurazione di circa un mese per questo, rispetto ai quasi dieci anni con la vecchia tecnica, che sarebbe impossibile da realizzare sperimentalmente”.
Ulmer ha aggiunto: “Con la trappola BASE, siamo già stati in grado di misurare che i momenti magnetici di protoni e antiprotoni differiscono al massimo di un miliardesimo, stiamo parlando di 10 -9. Siamo stati in grado di migliorare il tasso di errore dell’identificazione dello spin di oltre un fattore di 1.000. Nella prossima campagna di misurazione, speriamo di migliorare l’accuratezza del momento magnetico a 10 -10 .”
Il professor Ulmer sui piani per il futuro ha dichiarato: “Vogliamo costruire una trappola mobile per particelle, che possiamo usare per trasportare gli antiprotoni generati al CERN di Ginevra in un nuovo laboratorio presso l’HHU. È impostato in modo tale che possiamo sperare di migliorare l’accuratezza delle misurazioni di almeno un ulteriore fattore di 10″.
Conclusioni
Le trappole possono immagazzinare singole particelle fondamentali elettricamente cariche, le loro antiparticelle o persino nuclei atomici per lunghi periodi di tempo utilizzando campi magnetici ed elettrici. Sono possibili periodi di immagazzinamento di oltre dieci anni. Nelle trappole possono quindi essere effettuate misurazioni mirate delle particelle.
Esistono due tipi fondamentali di costruzione: le cosiddette trappole di Paul (sviluppate dal fisico tedesco Wolfgang Paul negli anni ’50) utilizzano campi elettrici alternati per trattenere le particelle. Le trappole di Penning sviluppate da Hans G. Dehmelt utilizzano un campo magnetico omogeneo e un campo quadrupolare elettrostatico. Entrambi i fisici hanno ricevuto il premio Nobel per i loro sviluppi nel 1989.
