CERN -eksperiment forbedrer præcisionen af ​​antiproton -massemåling med ny innovativ køleteknik

I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , ASACUSA -eksperimentet på CERN rapporterede om ny præcisionsmåling af antiprotonets masse i forhold til elektronens. Dette resultat er baseret på spektroskopiske målinger med omkring 2 milliarder antiprotoniske heliumatomer afkølet til ekstremt kolde temperaturer på 1,5 til 1,7 grader over det absolutte nul. I antiprotoniske heliumatomer indtager en antiproton stedet for en af ​​de elektroner, der normalt ville kredser om kernen. Sådanne målinger tilvejebringer et unikt værktøj til med stor præcision at sammenligne massen af ​​en antimateriepartikel med dens stofmodstykke. De to skal være strengt identiske.

"Et temmelig stort antal atomer indeholdende antiprotoner blev afkølet til minus 271 grader Celsius. Det er lidt overraskende, at et 'halv-antimateriale' atom kan gøres så koldt ved blot at placere det i en nedkølet gas med normalt helium, "sagde Masaki Hori, gruppeleder ved ASACUSA -samarbejdet.

Materiale og antimateriale partikler produceres altid som et par ved partikelkollisioner. Partikler og antipartikler har samme masse og modsat elektriske ladning. Den positivt ladede positron, for eksempel, er en anti-elektron, antipartiklen af ​​den negativt ladede elektron. Positroner er blevet observeret siden 1930'erne, både ved naturlige kollisioner fra kosmiske stråler og i partikelacceleratorer. De bruges i dag på hospitalet i PET -scannere. Imidlertid, at studere antimateriepartikler med høj præcision er stadig en udfordring, for når stof og antimateriale kommer i kontakt, de tilintetgør - forsvinder i et glimt af energi.

CERN's Antiproton Decelerator er en unik facilitet, der leverer lavenergi antiprotonbjælker til forsøg til antimaterialeundersøgelser. For at foretage målinger med disse antiprotoner, flere eksperimenter fanger dem i lange perioder ved hjælp af magnetiske enheder. ASACUSAs tilgang er anderledes, da eksperimentet er i stand til at skabe helt særlige hybridatomer lavet af en blanding af stof og antimateriale:disse er de antiprotoniske heliumatomer sammensat af en antiproton og en elektron, der kredser om en heliumkerne. De fremstilles ved at blande antiprotoner med heliumgas. I denne blanding, omkring 3% af antiprotonerne erstatter den ene af de to elektroner i heliumatomet. I antiprotonisk helium, antiproton er i kredsløb omkring heliumkernen, og beskyttet af elektronskyen, der omgiver hele atomet, gør antiprotonisk helium stabilt nok til præcisionsmålinger.

Målingen af ​​antiprotonens masse udføres ved spektroskopi, ved at skinne en laserstråle på det antiprotoniske helium. Indstilling af laseren til den rigtige frekvens får antiprotonerne til at lave et kvantespring inden for atomerne. Ud fra denne frekvens kan antiprotonmassen i forhold til elektronmassen beregnes. Denne metode er tidligere blevet brugt med succes af ASACUSA -samarbejdet til at måle antiprotons masse med høj nøjagtighed. Imidlertid, den mikroskopiske bevægelse af de antiprotoniske heliumatomer indførte en betydelig kilde til usikkerhed i tidligere målinger.

Den store nye præstation af samarbejdet, som rapporteret i Videnskab , er, at ASACUSA nu har formået at afkøle de antiprotoniske heliumatomer til temperaturer tæt på absolut nul ved at suspendere dem i en meget kold heliumbuffergas. På denne måde, atomernes mikroskopiske bevægelse reduceres, øge præcisionen af ​​frekvensmåling. Målingen af ​​overgangsfrekvensen er blevet forbedret med en faktor 1,4 til 10 sammenlignet med tidligere forsøg. Eksperimenter blev udført fra 2010 til 2014, med omkring 2 milliarder atomer, svarende til omtrent 17 femtogram antiprotonisk helium.

Ifølge standardteorier, protoner og antiprotoner forventes at have nøjagtig samme masse. Til dato, der er ikke fundet nogen forskel mellem deres masser, men at skubbe præcisionsgrænserne for denne sammenligning er en meget vigtig test af centrale teoretiske principper, såsom CPT -symmetrien. CPT er en konsekvens af grundlæggende symmetrier af rumtid, såsom dens isotropi i alle retninger. Observationen af ​​selv et minuts afbrydelse af CPT ville kræve en gennemgang af vores antagelser om rumtidens karakter og egenskaber.

ASACUSA -samarbejdet er overbevist om, at det vil kunne forbedre præcisionen af ​​antiprotons masse yderligere ved hjælp af to laserstråler. I den nærmeste fremtid, starten af ​​ELENA -anlægget på CERN vil også gøre det muligt at forbedre præcisionen af ​​sådanne målinger.