Wetenschappers van het BASE-samenwerkingsverband, geleid door RIKEN-wetenschappers, hebben een nieuwe koelmethode ontwikkeld die het mogelijk maakt om een ​​eigenschap van protonen en antiprotonen, het magnetische moment genaamd, gemakkelijker te meten. Dit is een van de eigenschappen die wordt onderzocht om het mysterie op te lossen waarom ons universum materie bevat maar bijna geen antimaterie.

Ons universum zou, onder het standaardmodel, gelijke hoeveelheden materie en antimaterie hebben, maar in werkelijkheid niet. Om erachter te komen waarom, wetenschappers over de hele wereld proberen kleine verschillen tussen de twee te ontdekken die het mysterie zouden kunnen oplossen. Een veelbelovende mogelijkheid is om te onderzoeken of er verschillen zijn in het magnetische moment van het proton en antiproton, en het BASE-experiment, gevestigd bij CERN, probeert dit vast te stellen. Met behulp van een geavanceerd apparaat - een Penning-val die in staat is om een ​​enkel deeltje te vangen en te detecteren - was het BASE-team in het verleden in staat om de precisie van magnetische momentmetingen van protonen en antiprotonen te verbeteren met een factor dertig en met meer dan drie ordes van grootte, respectievelijk, wat leidt tot een test van materie / antimaterie-symmetrie op het niveau van 1,5 delen in een miljard, in wezen vinden dat de magneten in het proton en het antiproton vergelijkbaar zijn met negen significante cijfers.

Een van de vele moeilijkheden bij het uitvoeren van dergelijke experimenten is dat om de magnetische momenten precies te meten, de deeltjes moeten bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt worden gehouden, -273,15 °C. In eerdere experimenten werden de koude temperaturen bereid met behulp van een techniek die bekend staat als "selectieve resistieve koeling, "wat tijdrovend is en volgens de onderzoekers "vergelijkbaar met het gooien van een dobbelsteen met 100 gezichten, proberen een 1 te gooien."

Voor het huidige experiment gepubliceerd in Natuur , de BASE-samenwerking rapporteerde de allereerste demonstratie van "sympathische koeling" van een enkel proton door het deeltje te koppelen aan een wolk van lasergekoelde 9Be+-ionen. Sympathische koeling omvat het gebruik van lasers of andere apparaten om één type deeltje te koelen, en vervolgens die deeltjes gebruiken om de warmte van het deeltje dat ze willen afkoelen over te dragen. Met deze techniek, de groep koelde tegelijkertijd een resonantiemodus van een macroscopisch supergeleidende afgestemde schakeling met lasergekoelde ionen, en bereikte ook de sympathieke koeling van een enkel opgesloten proton, temperaturen nabij het absolute nulpunt bereiken.

De techniek die in het recente artikel wordt beschreven, is een belangrijke eerste stap naar een aanzienlijke vermindering van vlakken op het dobbelsteenspruitstuk, met de visie om het oppervlak idealiter terug te brengen tot slechts één. "We melden een belangrijke eerste stap, en de verdere ontwikkeling van deze methode zal uiteindelijk leiden tot een ideaal spin-flip experiment, waarin binnen enkele seconden een enkel proton bij lage temperatuur wordt aangemaakt. Hierdoor kunnen we de spintoestand van het deeltje bepalen in slechts één meting die ongeveer een minuut duurt, " zegt Christian Smorra, een van de wetenschappers die het onderzoek leidde. "Dit is aanzienlijk sneller dan onze eerdere metingen van magnetische momenten, en zal zowel de steekproefstatistieken als de resolutie van onze systematische studies verbeteren, " voegt Matthew Bohman toe, een doctoraat student aan het Max Planck Instituut voor kernfysica, Heidelberg en de eerste auteur van de studie.

"In aanvulling, de gerapporteerde prestatie heeft niet alleen toepassingen in proton/antiproton magnetische momentmetingen. Het voegt algemene nieuwe technologie toe aan de gereedschapskist van nauwkeurige Penning-trap-fysica, en heeft ook potentiële toepassingen in andere nucleaire magnetische momentmetingen, ultraprecieze vergelijkingen van lading-tot-massaverhoudingen in Penning-vallen, of zelfs bij het verhogen van de productie van antiwaterstof, " voegt Stefan Ulmer toe, woordvoerder van de BASE-samenwerking en hoofdwetenschapper bij RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory.

De BASE-samenwerking voert drie experimenten uit, één in de antimateriefabriek van CERN, een aan de Universiteit van Hannover, en een aan de universiteit van Mainz, het laboratorium waar de nieuwe methode daadwerkelijk is geïmplementeerd. De gerapporteerde studie is het resultaat van de samenwerking tussen RIKEN, de Duitse Max Planck Society, de universiteiten van Mainz, Hannover en Tokio, het Duitse meetinstituut PTB, CERN, en GSI Darmstadt. Het werk werd ondersteund door de Max Planck, RIKEN, PTB centrum voor tijd, constanten en fundamentele symmetrieën.