In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Wetenschap , het ASACUSA-experiment bij CERN rapporteerde een nieuwe precisiemeting van de massa van het antiproton ten opzichte van die van het elektron. Dit resultaat is gebaseerd op spectroscopische metingen waarbij ongeveer 2 miljard antiprotonische heliumatomen zijn afgekoeld tot extreem koude temperaturen van 1,5 tot 1,7 graden boven het absolute nulpunt. In antiprotonische heliumatomen neemt een antiproton de plaats in van een van de elektronen die normaal om de kern zouden draaien. Dergelijke metingen bieden een uniek hulpmiddel om met hoge precisie de massa van een antimateriedeeltje te vergelijken met zijn materie-tegenhanger. De twee moeten strikt identiek zijn.

"Een behoorlijk groot aantal atomen die antiprotonen bevatten, werden afgekoeld tot onder min 271 graden Celsius. Het is nogal verrassend dat een 'half-antimaterie'-atoom zo koud kan worden gemaakt door het simpelweg in een gekoeld gas van normaal helium te plaatsen, " zei Masaki Hori, groepsleider bij de ASACUSA-samenwerking.

Materie- en antimateriedeeltjes worden altijd als een paar geproduceerd in deeltjesbotsingen. Deeltjes en antideeltjes hebben dezelfde massa en tegengestelde elektrische lading. Het positief geladen positron, bijvoorbeeld, is een anti-elektron, het antideeltje van het negatief geladen elektron. Positronen zijn waargenomen sinds de jaren 1930, zowel in natuurlijke botsingen van kosmische straling als in deeltjesversnellers. Ze worden tegenwoordig in ziekenhuizen gebruikt in PET-scanners. Echter, het met hoge precisie bestuderen van antimateriedeeltjes blijft een uitdaging, want wanneer materie en antimaterie met elkaar in contact komen, ze vernietigen - verdwijnen in een flits van energie.

CERN's Antiproton Decelerator is een unieke faciliteit die laagenergetische antiprotonstralen levert aan experimenten voor antimateriestudies. Om metingen te kunnen doen met deze antiprotonen, verschillende experimenten vangen ze voor lange perioden met behulp van magnetische apparaten. De benadering van ASACUSA is anders, omdat het experiment in staat is om zeer speciale hybride atomen te creëren die zijn gemaakt van een mix van materie en antimaterie:dit zijn de antiprotonische heliumatomen die zijn samengesteld uit een antiproton en een elektron die rond een heliumkern draaien. Ze worden gemaakt door antiprotonen te mengen met heliumgas. In dit mengsel, ongeveer 3% van de antiprotonen vervangt een van de twee elektronen van het heliumatoom. In antiprotonisch helium, het antiproton is in een baan rond de heliumkern, en beschermd door de elektronenwolk die het hele atoom omringt, waardoor antiprotonisch helium stabiel genoeg is voor precisiemetingen.

De meting van de massa van het antiproton wordt gedaan door spectroscopie, door een laserstraal op het antiprotonische helium te laten schijnen. Door de laser op de juiste frequentie af te stemmen, maken de antiprotonen een kwantumsprong binnen de atomen. Uit deze frequentie kan de antiprotonmassa ten opzichte van de elektronenmassa worden berekend. Deze methode is eerder met succes gebruikt door de ASACUSA-samenwerking om met hoge nauwkeurigheid de massa van het antiproton te meten. Echter, de microscopische beweging van de antiprotonische heliumatomen introduceerde een belangrijke bron van onzekerheid in eerdere metingen.

De belangrijkste nieuwe prestatie van de samenwerking, zoals gerapporteerd in Wetenschap , is dat ASACUSA er nu in is geslaagd de antiprotonische heliumatomen af ​​te koelen tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt door ze te suspenderen in een zeer koud heliumbuffergas. Op deze manier, de microscopische beweging van de atomen wordt verminderd, verbetering van de nauwkeurigheid van de frequentiemeting. De meting van de overgangsfrequentie is met een factor 1,4 tot 10 verbeterd ten opzichte van eerdere experimenten. Experimenten werden uitgevoerd van 2010 tot 2014, met ongeveer 2 miljard atomen, overeenkomend met ongeveer 17 femtogram antiprotonisch helium.

Volgens standaard theorieën, protonen en antiprotonen hebben naar verwachting exact dezelfde massa. Daten, er is geen verschil gevonden tussen hun massa's, maar het verleggen van de precisiegrenzen van deze vergelijking is een zeer belangrijke test van belangrijke theoretische principes zoals de CPT-symmetrie. CPT is een gevolg van fundamentele symmetrieën van ruimte-tijd, zoals de isotropie in alle richtingen. De waarneming van zelfs maar een minuut onderbreking van CPT zou een herziening van onze veronderstellingen over de aard en eigenschappen van ruimte-tijd vereisen.

De ASACUSA-samenwerking is ervan overtuigd dat ze de precisie van de antiprotonmassa verder zal kunnen verbeteren door gebruik te maken van twee laserstralen. In de nabije toekomst, de start van de ELENA-faciliteit bij CERN zal het ook mogelijk maken de nauwkeurigheid van dergelijke metingen te verbeteren.