Køleteknik tillader lettere målinger af nøglepartikelegenskaber

Forskere fra BASE-samarbejdet, ledet af RIKEN -forskere, har udviklet en ny afkølingsmetode, der gør det lettere at måle en egenskab af protoner og antiprotoner kaldet det magnetiske moment. Dette er en af ​​de egenskaber, der undersøges for at løse mysteriet om, hvorfor vores univers indeholder stof, men næsten ingen antimateriale.

Vores univers burde, under standardmodellen, har lige store mængder stof og antimateriale, men i virkeligheden gør det ikke. For at finde ud af hvorfor, forskere rundt om i verden forsøger at opdage små forskelle mellem de to, der kunne løse mysteriet. En lovende vej er at undersøge, om der er forskelle i protonens og antiprotonets magnetiske moment, og BASE -eksperimentet, baseret på CERN, forsøger at fastslå dette. Ved hjælp af en sofistikeret enhed - en Penning -fælde, der er i stand til at fange og detektere en enkelt partikel - kunne BASE -teamet tidligere forbedre præcisionen af ​​proton- og antiprotonmagnetiske momentmålinger med en faktor på tredive og med mere end tre størrelsesordener, henholdsvis, fører til en test af materie/antimateriets symmetri i niveauet 1,5 dele i en milliard, at finde hovedsageligt, at magneterne i protonen og antiprotonen ligner ni væsentlige tal.

En vanskelighed - blandt mange - ved at udføre sådanne eksperimenter er at måle de magnetiske øjeblikke præcist, partiklerne skal opbevares ved temperaturer tæt på absolut nul, -273,15 ° C. I tidligere forsøg blev de kolde temperaturer fremstillet ved hjælp af en teknik kendt som "selektiv resistiv køling, "som er tidskrævende og ifølge forskerne, "ligner at kaste en terning med 100 ansigter, forsøger at rulle en 1. "

For det nuværende eksperiment, udgivet i Natur , BASE-samarbejdet rapporterede den første nogensinde demonstration af "sympatisk afkøling" af en enkelt proton ved at koble partiklen til en sky af laserkølede 9Be+ -ioner. Sympatisk køling indebærer at bruge lasere eller andre enheder til at afkøle en type partikel, og derefter bruge disse partikler til at overføre varmen fra partiklen, de ønsker at afkøle. Med denne teknik, gruppen afkølet samtidig en resonant tilstand af et makroskopisk superledende afstemt kredsløb med laserkølede ioner, og opnåede også den sympatiske afkøling af en enkelt fanget proton, når temperaturer tæt på absolut nul.

Teknikken beskrevet i det seneste papir er et vigtigt første skridt mod en betydelig reduktion af ansigter på terningmanifolden, med visionen om ideelt at reducere overfladen til kun en. "Vi rapporterer om et vigtigt første skridt, og den videre udvikling af denne metode vil i sidste ende føre til et ideelt spin-flip eksperiment, hvor en enkelt lavtemperatur-proton vil blive fremstillet inden for få sekunder. Dette giver os mulighed for at bestemme partikelens centrifugeringstilstand i kun en måling, der tager cirka et minut, ”siger Christian Smorra, en af ​​forskerne, der leder undersøgelsen. "Dette er betydeligt hurtigere end vores tidligere magnetiske momentmålinger, og vil forbedre både prøveudtagningsstatistikker og løsningen af ​​vores systematiske undersøgelser, "tilføjer Matthew Bohman, en ph.d. studerende ved Max Planck Institute for atomfysik, Heidelberg og den første forfatter af undersøgelsen.

"Ud over, den rapporterede præstation har ikke kun anvendelser i proton/antiproton magnetiske momentmålinger. Det tilføjer generel ny teknologi til værktøjskassen med præcis Penning-trap-fysik, og har også potentielle anvendelser i andre nukleare magnetiske momentmålinger, ultrapræcise sammenligninger af ladning-til-masse-forhold i Penning-fælder, eller endda for at øge produktionen af ​​antihydrogen, "tilføjer Stefan Ulmer, talsmand for BASE -samarbejdet og chefforsker ved RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory.

BASE -samarbejdet driver tre forsøg, en på antimateriefabrikken i CERN, en ved universitetet i Hannover, og en på University of Mainz, laboratoriet, hvor den nye metode faktisk blev implementeret. Den rapporterede undersøgelse er et resultat af det fælles samarbejde mellem RIKEN, det tyske Max Planck Society, universiteterne i Mainz, Hannover og Tokyo, det tyske metrologiske institut PTB, CERN, og GSI Darmstadt. Værket blev støttet af Max Planck, RIKEN, PTB center for tid, konstanter og grundlæggende symmetrier.