Materiens gåde forbliver uløst:Proton og antiproton deler grundlæggende egenskaber

Eftersøgningen fortsætter. Der er endnu ikke fundet nogen forskel i protoner og antiprotoner, som kunne hjælpe til potentielt at forklare eksistensen af ​​stof i vores univers. Imidlertid, fysikere i BASE-samarbejdet på forskningscentret CERN har været i stand til at måle antiprotonernes magnetiske kraft med næsten utrolig præcision. Alligevel, dataene giver ingen information om, hvordan stof blev dannet i det tidlige univers, da partikler og antipartikler ville have været nødt til at ødelægge hinanden fuldstændigt. De seneste BASE-målinger afslørede i stedet et stort overlap mellem protoner og antiprotoner, bekræfter dermed standardmodellen for partikelfysik. Jorden rundt, videnskabsmænd bruger en række forskellige metoder til at finde en forskel, uanset hvor lille. Materie-antistof-ubalancen i universet er et af de varme emner i moderne fysik.

Det multinationale BASE-samarbejde på det europæiske forskningscenter CERN samler forskere fra forskningscentret RIKEN i Japan, Max Planck Instituttet for Kernefysik i Heidelberg, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), universitetet i Tokyo, GSI Darmstadt, Leibniz Universität Hannover, og det tyske nationale metrologiinstitut (PTB) i Braunschweig. De sammenligner de magnetiske egenskaber af protoner og antiprotoner med stor præcision. Det magnetiske moment er en væsentlig bestanddel af partikler og kan afbildes som nogenlunde ækvivalent med en miniature-stangmagnet. Den såkaldte g-faktor måler styrken af ​​magnetfeltet. "I sin kerne, Spørgsmålet er, om antiprotonen har samme magnetisme som en proton, " forklarede Stefan Ulmer, talsmand for BASE-gruppen. "Dette er gåden, vi skal løse."

BASE-samarbejdet offentliggjorde højpræcisionsmålinger af antiproton-g-faktoren tilbage i januar 2017, men de nuværende er langt mere præcise. Den nuværende højpræcisionsmåling bestemte g-faktoren ned til ni signifikante cifre. Det svarer til at måle jordens omkreds med en præcision på fire centimeter. Værdien af ​​2,7928473441(42) er 350 gange mere præcis end resultaterne offentliggjort i januar. "Denne enorme stigning på så kort tid var kun mulig takket være helt nye metoder, " sagde Ulmer. Processen involverede videnskabsmænd, der brugte to antiprotoner for første gang og analyserede dem med to Penning-fælder.

Antiprotoner opbevaret et år før analyse

Antiprotoner genereres kunstigt på CERN, og forskere opbevarer dem i en reservoirfælde til eksperimenter. Antiprotonerne til det nuværende eksperiment blev isoleret i 2015 og målt mellem august og december 2016, hvilket er en lille sensation, da dette var den længste opbevaringsperiode for antistof, der nogensinde er dokumenteret. Antiprotoner udslettes normalt hurtigt, når de kommer i kontakt med stof, såsom i luften. Opbevaring blev demonstreret i 405 dage i et vakuum, som indeholder ti gange færre partikler end det interstellare rum. Der blev brugt i alt 16 antiprotoner, og nogle af dem blev afkølet til ca. absolutte nul eller minus 273 grader Celsius.

Det nye princip bruger samspillet mellem to Penning-fælder. Fælderne bruger elektriske og magnetiske felter til at fange antiprotonerne. Tidligere målinger var stærkt begrænset af en ultra-stærk magnetisk inhomogenitet i Penning-fælden. For at overvinde denne barriere, forskerne tilføjede en anden fælde med et meget homogent magnetfelt. "Vi brugte således en metode udviklet på Mainz University, der skabte højere præcision i målingerne, " forklarede Ulmer. "Målingen af ​​antiprotoner var ekstremt vanskelig, og vi havde arbejdet på det i ti år. Det endelige gennembrud kom med den revolutionerende idé om at udføre målingen med to partikler." Larmorfrekvensen og cyclotronfrekvensen blev målt; tilsammen danner de g-faktoren.

Den konstaterede g-faktor for antiprotonen blev derefter sammenlignet med g-faktoren for protonen, som BASE-forskere havde målt med størst forudgående præcision allerede i 2014. I sidste ende imidlertid, de kunne ikke finde nogen forskel på de to. Denne konsistens er en bekræftelse af CPT-symmetrien, som siger, at universet er sammensat af en grundlæggende symmetri mellem partikler og antipartikler. "Alle vores observationer finder en fuldstændig symmetri mellem stof og antistof, Derfor burde universet faktisk ikke eksistere, " forklarede Christian Smorra, første forfatter til undersøgelsen. "Der må eksistere en asymmetri her et sted, men vi forstår simpelthen ikke, hvor forskellen er. Hvad er kilden til symmetribruddet?"

BASE-forskerne ønsker nu at bruge endnu højere præcisionsmålinger af proton- og antiprotonegenskaberne for at finde et svar på dette spørgsmål. BASE-samarbejdet planlægger at udvikle yderligere innovative metoder i løbet af de næste par år og forbedre de nuværende resultater.