Een van de diepste mysteries van de fysica van vandaag is waarom we lijken te leven in een wereld die alleen uit materie bestaat, terwijl de oerknal gelijke hoeveelheden materie en antimaterie had moeten creëren. Rond de wereld, wetenschappers, waaronder het team van Stefan Ulmer van RIKEN, zijn bezig met het ontwerpen en uitvoeren van zeer nauwkeurige metingen om te proberen fundamentele verschillen tussen materie en antimaterie te ontdekken die tot de discrepantie zouden kunnen leiden.

In werk gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Het team van Ulmer heeft ontdekt dat het magnetische moment van het antiproton extreem dicht bij dat van het proton ligt. De onderzoekers gebruikten een geavanceerde techniek met een zesvoudig hogere nauwkeurigheid dan voorheen, waarbij individuele deeltjes in een magnetisch apparaat worden gevangen.

Om de experimenten uit te voeren, ze namen antiprotonen die werden gegenereerd door CERN's Antiproton Decelerator en plaatsten ze in een krachtig magnetisch apparaat - een Penning-val genaamd - waar ze voor perioden van meer dan een jaar konden worden bewaard. Bij het uitvoeren van de metingen - soms zorgvuldig gekozen om te vallen tijdens nachtdiensten of in het weekend om magnetische interferentie te minimaliseren - namen ze individuele antiprotonen uit de insluitingsval en verplaatsten ze naar een andere val, waar ze werden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt en in een krachtig en complex magnetisch veld werden geplaatst, waardoor de groep het magnetische moment kan meten.

Op basis van zes metingen die met deze methode zijn gedaan, de groep ontdekte dat het moment (g-factor) van het antiproton 2,7928465 (23) is, terwijl die van het proton eerder 2,792847350 (9) bleek te zijn, waarbij het getal tussen haakjes de hoeveelheid onzekerheid in de laatste cijfers aangeeft. Dit plaatst de twee metingen - die beide absoluut zijn, in plaats van relatieve - tot binnen 0,8 delen per miljoen van elkaar.

Volgens Ulmer "We zien een diepe tegenstelling tussen het standaardmodel van de deeltjesfysica, waaronder het proton en antiproton identieke spiegelbeelden van elkaar zijn, en het feit dat op kosmologische schaal, er is een enorme kloof tussen de hoeveelheid materie en antimaterie in het heelal. Ons experiment heeft aangetoond, gebaseerd op een meting die zes keer nauwkeuriger is dan ooit tevoren, dat het standaardmodel stand houdt, en dat er lijkt, in feite, geen verschil te zijn in de proton/antiproton magnetische momenten bij de bereikte meetonzekerheid. We hebben geen bewijs gevonden voor CPT-overtreding."

In toekomstige experimenten, het team is van plan zich te richten op de toepassing van een nog geavanceerdere dubbele Penning-traptechniek. Met deze methode, 1000-voudig verbeterde metingen zijn mogelijk. De groep heeft deze techniek al toegepast om het protonmagnetisch moment te meten en beschikt over de benodigde methoden om deze meting ook met het antiproton uit te voeren. "Echter, de implementatie van dit experimentele schema is technisch zeer uitdagend, en zal verschillende iteraties vereisen", zegt Hiroki Nagahama, een doctoraat student in de groep van Ulmer en eerste auteur van de studie. "We zijn van plan deze meting uit te voeren in een van de volgende antiproton-runs."