Πείραμα που συγκρίνει την ύλη με την αντιύλη

Posted on 15/08/2015

0


… με τεράστια ακρίβεια

(νεώτερη ενημέρωση)
Σύμφωνα με το θεώρημα CPΤ στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, ένα σύστημα παραμένει αμετάβλητο αν γίνουν οι εξής μετασχηματισμοί: τα σωματίδια αντικατασταθούν από τα κατοπτρικά συμμετρικά αντισωματίδιά τους και αντιστραφεί η ροή του χρόνου. Η ιδιότητα αυτή που αναφέρεται και ως «αναλλοίωτο CPT», αποτελεί δόγμα του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων και δείχνει πως η αντιύλη είναι ο τέλειος καθρέφτης της ύλης εφόσον αντικατασταθούν τα ηλεκτρικά φορτία με τα αντίθετά τους.

Για να ισχύει το «αναλλοίωτο CPT» πρέπει το ειδικό φορτίο των σωματιδίων να ταυτίζεται κατ’ απόλυτη τιμή με το ειδικό φορτίο των αντισωματιδίων τους (ειδικό φορτίο = ο λόγος του ηλεκτρικού φορτίου προς την μάζα). Κάτι που συμφωνεί με τα μέχρι στιγμής πειραματικά δεδομένα.

Όμως οι φυσικοί επαναλαμβάνουν τα πειράματά τους προσπαθώντας να βελτιώσουν όλο και περισσότερο την ακρίβεια των μετρήσεών τους.

Σε μια τελευταία πειραματική εργασία που δημοσιεύεται στο Nature (High-precision comparison of the antiproton-to-proton charge-to-mass ratio) αναφέρεται η πιο ακριβής πειραματική σύγκριση του λόγου φορτίο προς μάζα μεταξύ πρωτονίου και αντιπρωτονίου.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε από την ομάδα BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) στον Antiproton Decelerator (AD) του CERN, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα παγίδων φορτισμένων σωματιδίων Penning, για τη σύγκριση αντιπρωτονίoυ με αρνητικό φορτισμένο ιόν υδρογόνου(Η), αντί του πρωτονίου.

Η τομή παγίδας Penning που χρησιμοποιήθηκε από την ερευνητική ομάδα BASE

Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε από την ερευνητική ομάδα BASE

Τα αντιπρωτόνια δημιουργούνται χρησιμοποιώντας το σύγχροτρο πρωτονίων, τον παλαιότερο επιταχυντή σωματιδίων στο CERN. Εκεί επιταχύνονται πρωτόνια μέχρι την ενέργεια των 26 GeV και στη συνέχεια προσπίπτουν σε στόχο ιριδίου. Από τις συγκρούσεις πρωτονίων με πυρήνες ιριδίου δημιουργούνται νέα σωματίδια και αντισωματίδια, μεταξύ των οποίων και αντιπρωτόνια. Με την χρήση κατάλληλων μαγνητών, τα αντιπρωτόνια διαχωρίζονται και οδηγούνται στον επιβραδυντή αντιπρωτονίων (Antiproton Decelerator – AD) που έχει την ικανότητα να επιβραδύνει τα αντιπρωτόνια σε τέτοιες ταχύτητες, ώστε οι φυσικοί να μπορούν να τα μελετήσουν στις παγίδες ιόντων.

Το αποτέλεσμα του πειράματος έδειξε ότι το ειδικό φορτίο πρωτονίου ταυτίζεται κατ’ απόλυτη τιμή με το ειδικό φορτίο του αντιπρωτονίου με ακρίβεια 69 προς 1 τρισεκατομμύριο, επιβεβαιώνοντας την θεμελιώδη συμμετρία CPT μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η θεωρία που περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους – χωρίς όμως να είναι μια πλήρης θεωρία. Οποιαδήποτε ελάχιστη διαφορά στις απόλυτες τιμές των ειδικών φορτίων πρωτονίου και αντιπρωτονίου θα αποτελέσει μια δραματική πρόκληση όχι μόνο για το Καθιερωμένο Πρότυπο αλλά και για το βασικό πλαίσιο της σωματιδιακής φυσικής.

πηγή: home.web.cern.ch

(νεώτερη ενημέρωση 20/1/2017)

Βελτιωμένη μέτρηση από το CERN ιδιότητας του αντιπρωτονίου

Σε επιστημονική δημοσίευση στο περιοδικό Nature Communications, το πείραμα BASE του CERN αναφέρει την ακριβέστερη ως τώρα μέτρηση της μαγνητικής ροπής αντιπρωτονίου, που επιτρέπει την θεμελιώδη σύγκριση μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Το πείραμα BASE αποδεικνύει ότι οι μαγνητικές ροπές πρωτονίου και αντιπρωτονίου είναι ταυτόσημες, εκτός από τα αντίθετα πρόσημά τους, με πειραματική αβεβαιότητα της τάξης των 0.8 μερών ανά εκατομμύριο. Αυτό το αποτέλεσμα βελτιώνει την ακρίβεια της προηγούμενης καλύτερης μέτρησης που πραγματοποιήθηκε το 2013 από το πείραμα ATRAP, επίσης στο CERN, κατά ένα παράγοντα ίσο με έξι (6).
Στην κλίμακα των στοιχειωδών σωματιδίων, υπάρχει μια σχεδόν τέλεια συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Όμως σε κοσμολογικές κλίμακες η ύλη υπερισχύει της αντιύλης. Για την κατανόηση αυτής της θεμελιώδους αντίφασης, οι φυσικοί θα πρέπει να συγκρίνουν τις θεμελιώδεις ιδιότητες των σωματιδίων και των αντισωματιδίων με μεγάλη ακρίβεια.
Το πείραμα BASE χρησιμοποιεί αντιπρωτόνια από το μοναδικό εργοστάσιο αντιύλης του CERN, τον επιβραδυντή Antiproton Decelerator (AD), και έχει σχεδιαστεί ειδικά για να εκτελεί μετρήσεις ακριβείας των αντισωματιδίων (σωματιδίων αντιὐλης ισοδύναμω ντων κανονικών σωματιδίων ύλης). Η μαγνητική ροπή, η οποία καθορίζει τη συμπεριφορά ενός σωματιδίου βυθισμένου σε μαγνητικό πεδίο, είναι ένα από τα εσωτερικά χαρακτηριστικά σωματιδίων που έχουν μελετηθεί περισσότερο.
Αν και διαφορετικά σωματίδια έχουν διαφορετική μαγνητική συμπεριφορά, οι μαγνητικές ροπές πρωτονίων και αντιπρωτονίων υποτίθεται οτι διαφέρουν μόνο στο πρόσημό τους, ως αποτέλεσμα της λεγόμενης συμμετρίας φορτίου-ισοτιμίας – χρόνου. Οποιαδήποτε διαφορά στα μεγέθη τους θα αποτελούσε πρόκληση για το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και μπορεί να προσφέρει μια ματιά στη νέα φυσική.
Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων το BASE ψύχει τα αντιπρωτόνια σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 1 βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν) και τα παγιδεύει σε περίπλοκους ηλεκτρομαγνητικούς φορείς έτσι ώστε να μην έρχονται σε επαφή με την ύλη και εξαϋλώνονται (χάρη σε αυτές τις συσκευές, το BASE πρόσφατα κατάφερε να αποθηκεύσει μια ποσότητα ανιπρωτονίων για περισσότερο από ένα χρόνο).
Από εδώ, τα αντιπρωτόνια διοχετεύονται ένα-ένα σε περισσότερες παγίδες όπου η συμπεριφορἀ τους υπό την επήρεια μαγνητικών πεδίων επιτρέπει στους επιστήμονες να καθορίσουν την εσωτερική μαγνητική ροπή τους. Παρόμοιες τεχνικές έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στο παρελθόν σε ηλεκτρόνια και τα αντισωματίδιά τους τα ποζιτρόνια, αλλά τα αντιπρωτόνια παρουσιάζουν σαφώς μεγαλύτερη πρόκληση γιατί οι μαγνητικές τους ροπές είναι σημαντικά ασθενέστερες.
Η νέα μέτρηση του BASE απαιτούσε μια ειδικά σχεδιασμένη μαγνητική ῾φιάλη῾ που είναι 1000 φορές ισχυρότερη από εκείνη που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα ηλεκτρονίων /ποζιτρονίων. “Αυτή η μέτρηση αποτελεί το αποκορύφωμα 10 ετών σκληρής εργασίας από την ομάδα του BASE,” είπε ο Stefan Ulmer, επικεφαλής του πειράματος BASE. “Μαζί με άλλα πειράματα AD, κάνουμε πραγματικά γρήγορη πρόοδο στην κατανόηση της αντιύλης”.
Το πείραμα BASE τώρα σχεδιάζει τη μέτρηση της μαγνητικής ροπής του αντιπρωτονίου χρησιμοποιώντας μια νέα μέθοδο παγίδευσης, η οποία επιτρέπει ακρίβεια της τάξης μόλις λίγων μερών ανά εκατομμύριο – κάτι που αντιστοιχεί σε βελτίωση κατά ένα παράγοντα 200-800.
“Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου αποτελεί πολύ μεγαλύτερη πρόκληση απ᾽ ό,τι η προηγούμενη και θα απαιτήσει πολλά πρόσθετα επαναληπτικά βήματα», λέει o επικεφαλής της πρόσφατης δημοσίευσης Hiroki Nagahama.
Μετάφραση-Προσαρμογή: Ελένη Χατζηχρήστου
Ελληνικός Σύνδεσμος στο European Particle Physics Communication Network (EPPCN)

πηγή: http://www.naftemporiki.gr/story/1195941/beltiomeni-metrisi-apo-to-cern-idiotitas-tou-antiprotoniou – https://home.cern/about/updates/2017/01/base-precisely-measures-antiprotons-magnetic-moment