Antimateria fría para mediciones de precisión resuelta en estado cuántico

Después del Big Bang, hace 13 mil millones de años, el universo estaba inundado de radiación de alta energía, que continuamente producía pares de partículas de materia y antimateria, como protones y antiprotones. Cuando un par así choca, las partículas se aniquilan y se convierten nuevamente en energía pura. Entonces, en general, exactamente la misma cantidad de materia y materia debe reproducirse y destruirse nuevamente, lo que significa que, como resultado, el universo debe carecer en gran medida de significado.

Sin embargo, existe claramente un desequilibrio, un desequilibrio, ya que existen los objetos materiales. Se ha creado una cantidad insignificante de materia por encima de la antimateria, lo que contradice el modelo estándar de la física de partículas. Los físicos llevan décadas intentando ampliar el modelo estándar. Para ello, también requieren mediciones muy precisas de parámetros fisiológicos básicos.

Este es el punto de partida de la colaboración BASE (“Experimento de simetría Baryon Antibaryon”). Entre ellos se incluyen las universidades de Dusseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz y Tokio, el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich y las instalaciones de investigación del CERN en Ginebra, el Centro GSI Helmholtz en Darmstadt, el Instituto Max Planck para la Investigación Nuclear en Heidelberg, Física, Instituto Meteorológico de Alemania (PTB) en Braunschweig y RIKEN en Wako/Japón.

“La pregunta central que buscamos responder es: ¿Las partículas de materia y sus correspondientes partículas de antimateria tienen exactamente la misma masa y tienen exactamente los mismos momentos magnéticos, o hay una ligera diferencia? ” explicó el portavoz de BASE, el profesor Stephen Ulmer. Es profesor en el Instituto de Física Experimental de HHU y también realiza investigaciones en el CERN y RIKEN.

Los físicos quieren realizar mediciones de altísima resolución de los llamados cambios de espín (transiciones cuánticas del espín de los protones) para antiprotones individuales, extremadamente fríos y, por tanto, de energía extremadamente baja; Es decir, un cambio en la dirección de giro del protón. “A partir de la frecuencia de transición medida, podemos determinar, entre otras cosas, el momento magnético del antiprotón, su diminuta barra magnética interna, por así decirlo”, explicó Ulmer, y añadió: “El objetivo es ver con un nivel de precisión sin precedentes. si estas barras magnéticas tienen la misma fuerza en protones y antiprotones.”

Generar antiprotones individuales para medirlos de una manera que permita este nivel de precisión es una tarea experimental que requiere mucho tiempo. La colaboración BASE ha dado ahora un paso decisivo en este sentido.

La Dra. Barbara Maria Latakz del CERN y autora principal del estudio, publicado ahora como “Sugerencia del editor” en Physical Review Letters, dice: “Hemos encontrado que se requieren antiprotones con una temperatura máxima de 200 mK, es decir, partículas extremadamente frías. La única forma de distinguir entre los diferentes estados cuánticos de espín era enfriar el antiprotón, que obtenemos del complejo acelerador del CERN, a una temperatura inferior a 15 horas con técnicas anteriores. Nuestro nuevo método reduce esa temperatura a ocho minutos”.

Los investigadores lograron esto combinando dos trampas de Penning en un solo dispositivo, una “trampa doble de enfriamiento de demonios de Maxwell”. Esta trampa permite producir antiprotones completamente enfriados por objetivo y utilizarlos para mediciones posteriores de spin-flip. Se rechazan las partículas calientes. Esto elimina el tiempo necesario para enfriar el antiprotón caliente.

El tiempo de enfriamiento es muy corto para obtener las estadísticas de medición deseadas en un tiempo significativamente más corto para reducir aún más la incertidumbre de medición. Latacz: “Necesitamos al menos 1.000 ciclos de medición individuales. Con nuestra nueva trampa, necesitamos alrededor de un mes, en comparación con aproximadamente una década con la antigua técnica, que sería imposible de realizar empíricamente”.

Ulmer: “Con la trampa de base ya hemos podido medir que los momentos magnéticos de protones y antiprotones difieren hasta en una milmillonésima parte, estamos hablando de 10”.^-9. Hemos podido mejorar la tasa de error de identificación de giro en más de un factor de 1000. En la próxima campaña de medición esperamos mejorar la precisión de los momentos magnéticos en un factor de 10.^-10“

El profesor Ulmer sobre sus planes futuros: “Queremos construir una trampa de partículas móvil con la que podamos transportar los antiprotones producidos en el CERN de Ginebra a un nuevo laboratorio en el HHU. Está configurado así. “Es de esperar que podamos mejorar la precisión de las mediciones en al menos un factor de 10.”

Antecedentes: trampas para partículas elementales

Las trampas pueden almacenar partículas primarias cargadas individualmente, sus antipartículas o incluso núcleos atómicos durante largos períodos de tiempo utilizando campos magnéticos y eléctricos. Es posible un período de almacenamiento de más de diez años. Luego se puede medir la partícula objetivo en las trampas.

Hay dos tipos básicos de construcción: las llamadas trampas de Paul (desarrolladas por el físico alemán Wolfgang Paul en la década de 1950) utilizan campos eléctricos alternos para atrapar partículas; Las “trampas panorámicas” desarrolladas por Hans G. Dehmelt utilizan un campo magnético uniforme y un campo electrostático cuadrupolar. Ambos físicos recibieron el Premio Nobel en 1989 por su desarrollo.