напряженностью 𝐵2,AT =266(8) кТ/м2 .
Кредит: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
Почему во Вселенной есть материя и (практически) нет антиматерии? Международное исследовательское сотрудничество BASE в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве под руководством профессора доктора Стефана Ульмера из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) достигло экспериментального прорыва в этом контексте.
Он может способствовать измерению массы и магнитного момента антипротонов точнее, чем когда-либо прежде, и, таким образом, выявить возможные асимметрии материи-антиматерии. BASE разработала ловушку, которая может охлаждать отдельные антипротоны гораздо быстрее, чем в прошлом, как объясняют исследователи в Physical Review Letters .
После Большого взрыва, произошедшего более 13 миллиардов лет назад, Вселенная была заполнена высокоэнергетическим излучением, которое постоянно генерировало пары частиц материи и антиматерии, такие как протоны и антипротоны.
Когда такая пара сталкивается, частицы аннигилируют и снова преобразуются в чистую энергию. Так что, в общем и целом, точно такие же количества материи и антиматерии должны генерироваться и снова аннигилировать, что означает, что Вселенная в результате должна быть в значительной степени безматеричной.
Однако, очевидно, что существует дисбаланс — асимметрия — поскольку материальные объекты существуют. Было создано ничтожно малое количество материи, чем антиматерии, что противоречит стандартной модели физики элементарных частиц. Поэтому физики десятилетиями пытались расширить стандартную модель. Для этого им также нужны чрезвычайно точные измерения фундаментальных физических параметров.
Это отправная точка для сотрудничества BASE («Эксперимент по симметрии барион-антибарион»). В нем участвуют университеты Дюссельдорфа, Ганновера, Гейдельберга, Майнца и Токио, Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе и исследовательские центры ЦЕРНа в Женеве, Центра Гельмгольца GSI в Дармштадте, Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, Национального института метрологии Германии (PTB) в Брауншвейге и RIKEN в Вако/Япония.
«Главный вопрос, на который мы пытаемся ответить: весят ли частицы материи и соответствующие им частицы антиматерии одинаково и имеют ли они одинаковые магнитные моменты или есть незначительные различия?» — объясняет профессор Стефан Ульмер, представитель BASE. Он является профессором Института экспериментальной физики в HHU, а также проводит исследования в CERN и RIKEN.
Физики хотят провести измерения с чрезвычайно высоким разрешением так называемого спин-флипа — квантовых переходов спина протона — для отдельных, ультрахолодных и, следовательно, крайне низкоэнергетических антипротонов; то есть изменения ориентации спина протона.
«Измеренные частоты переходов позволяют нам, среди прочего, определить магнитный момент антипротонов — их мельчайшие внутренние стержневые магниты, так сказать», — объясняет Ульмер. «Цель — с беспрецедентной точностью увидеть, имеют ли эти стержневые магниты в протонах и антипротонах одинаковую силу».
Подготовка отдельных антипротонов для измерений таким образом, чтобы обеспечить такие уровни точности, является чрезвычайно трудоемкой экспериментальной задачей. Коллаборация BASE теперь сделала решительный шаг вперед в этом отношении.
Доктор Барбара Мария Латач из ЦЕРНа и ведущий автор исследования говорит: «Нам нужны антипротоны с максимальной температурой 200 мК, то есть чрезвычайно холодные частицы. Это единственный способ дифференцировать различные спиновые квантовые состояния. При использовании предыдущих методов требовалось 15 часов, чтобы охладить антипротоны, которые мы получаем из ускорительного комплекса ЦЕРНа, до этой температуры. Наш новый метод охлаждения сокращает этот период до восьми минут».
Исследователи добились этого, объединив две так называемые ловушки Пеннинга в одно устройство, «охлаждающую двойную ловушку демона Максвелла». Эта ловушка позволяет готовить только самые холодные антипротоны на целевой основе и использовать их для последующего измерения спин-флипа; более теплые частицы отбрасываются. Это исключает время, необходимое для охлаждения более теплых антипротонов.
Для получения требуемой статистики измерений за значительно более короткий период времени требуется значительно меньшее время охлаждения, что позволяет еще больше снизить погрешности измерений.
Латач говорит: «Нам нужно не менее 1000 отдельных циклов измерений. С нашей новой ловушкой для этого нам потребуется время измерения около одного месяца — по сравнению с почти десятью годами при использовании старой техники, что было бы невозможно реализовать экспериментально».
Ульмер: «С помощью ловушки BASE мы уже смогли измерить, что магнитные моменты протонов и антипротонов различаются максимум на одну миллиардную — речь идет о 10 -9 . Нам удалось улучшить частоту ошибок определения спина более чем в 1000 раз. В следующей измерительной кампании мы надеемся улучшить точность определения магнитного момента до 10 -10 ».
Профессор Ульмер сказал: «Мы хотим построить мобильную ловушку для частиц, которую мы сможем использовать для транспортировки антипротонов, полученных в ЦЕРНе в Женеве, в новую лабораторию в HHU. Она устроена таким образом, что мы можем надеяться повысить точность измерений как минимум еще в 10 раз».
Ловушки для фундаментальных частиц
Ловушки могут хранить отдельные электрически заряженные фундаментальные частицы, их античастицы или даже атомные ядра в течение длительного времени с использованием магнитных и электрических полей. Возможны периоды хранения более десяти лет. Затем в ловушках можно проводить целевые измерения частиц.
Существует два основных типа конструкций: Так называемые ловушки Пауля (разработанные немецким физиком Вольфгангом Паулем в 1950-х годах) используют переменные электрические поля для удержания частиц. «Ловушки Пеннинга», разработанные Гансом Г. Демельтом, используют однородное магнитное поле и электростатическое квадрупольное поле. Оба физика получили Нобелевскую премию за свои разработки в 1989 году.
Дополнительная информация: BM Latacz et al, Orders of Magnitude Improved Cyclotron-Mode Cooling for Nondestructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trapped Antiprotons, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053201
Информация о журнале: Physical Review Letters
Предоставлено Университетом Генриха Гейне в Дюссельдорфе