CERN experiment vylepšil presnosť merania hmotnosti antiprotónu pomocou novej technológie chladenia.

3. novembra tohto roku bol v Science publikovaný článok, v ktorom ASACUSA experiment v CERNe oznámil nové presné meranie hmotnosti antiprotónu vzhľadom na hmotnosť elektrónu. Tento výsledok je založený na spektroskopických meraniach 2 miliárd antiprotónových héliových atómov ochladených na extrémne nízke teploty od 1,5 do 1,7 stupňa nad absolútnou nulou. V antiprotónových héliových atómoch nahrádza antiprotón jeden z elektrónov, ktoré by za normálnych okolností obiehali okolo jadra. Takéto merania poskytujú jedinečný prostriedok na veľmi presné porovnanie hmotnosti antiprotónu s hmotnosťou protónu. Mali by byť úplne rovnaké.

Ochladili sme naozaj veľké množstvo antiprotónovna teplotu nižšiu ako mínus 271 stupňovCelzia. Je celkom prekvapujúce, že atóm, ktorý je čiastočne z antihmoty, sa dá tak veľmi ochladiť, keď ho umiestnite do ochladeného plynu z obyčajného hélia,”povedal Masaki Hori, vedúci kolaborácie ASACUSA.

Častice hmoty a antihmoty sú v zrážkach častíc vždy produkované v pároch. Častice a antičastice majú rovnakú hmotnosť a opačný elektrický náboj. Napr. kladne nabitý pozitrón je anti-elektrón, antičastica záporne nabitého elektrónu. Pozitróny pozorujeme od r. 1932 v zrážkach kozmického žiarenia s atmosférou a na urýchľovačoch častíc. Dnes sa používajú aj v nemocniciach v PET skeneroch. Avšak štúdium antičastíc s vysokou presnosťou je veľmi náročné, pretože keď sa antihmota dostane do kontaktu s hmotou, dôjde k anihilácii – obe zmiznú v záblesku energie.

CERNovský Antiprotónový Spomaľovač je jedinečným zariadením, ktoré dodáva zväzky antiprotónov s nízkou energiou experimentom na štúdium antihmoty. Niekoľko experimentov sa kvôli tomu snaží udržať antiprotóny čo najdlhšie v magnetických pasciach. ASACUSA experiment je iný, pretože dokáže vytvoriť veľmi špeciálne hybridné atómy tvorené zmesou hmoty a antihmoty: antiprotónové héliové atómy zložené z antiprotónu a elektrónu, ktoré obiehajú okolo obyčajného héliového jadra. Vyrábajú sa zmiešaním antiprotónov s héliovým plynom. V tejto zmesi nahradia asi 3% antiprotónov jeden z dvoch elektrónov v héliových atómoch. V antiprotónovom héliu je antiprotón na orbite okolo héliového jadra, chránený elektrónovým oblakom obklopujúcim celý atóm, vďaka čomu je antiprotónové hélium dostatočne stabilné pre účely presných meraní.

Meranie hmotnosti antiprotónusa robí spektroskopicky, nasmerovaním laserového lúča naantiprotónové hélium. Vyladenie laseru na správnu frekvenciuprinúti antiprotóny ku kvantovému skoku vo vnútri atómov. Z tejto frekvencie sa dá vypočítať relatívna hmotnosť antiprotónu vzhľadom na hmotnosť elektrónu. Túto metódu už ASACUSA kolaborácia s úspechom použila v minulosti na presné meranie antiprotónovej hmotnosti. Avšak mikroskopický pohyb antiprotónových héliových atómov viedol vtedy k veľkej chybe merania.

Novým úspechom kolaborácie podľa článku v Science je, že ASACUSA zvládla ochladenie antiprotónových héliových atómov na teploty blízke absolútnej nule ich primiešaním do veľmi studeného héliového plynu. Takto sa podarilo redukovať mikroskopický pohyb atómov a zvýšiť presnosť merania frekvencie. Meranie prechodovej frekvencie bolo zlepšené faktorom od 1,4 do 10 v porovnaní s predchádzajúcimi experimentami. Experimenty boli vykonané od r. 2010 do r. 2014 s asi 2 miliardami atómov, čo zodpovedá asi 17-tim femtogramom antiprotónového hélia.

Podľa teórie sa očakáva, že protóny a antiprotóny majú úplne rovnakú hmotnosť. K dnešnému dňu sa nenašiel žiadny rozdiel medzi ich hmotnosťami, ale posúvanie presnosti tohoto merania je veľmi dôležitým testom kľúčových teoretických princípov akými je CPT symetria. CPT je dôsledkom základných symetrií časopriestoru, ako je napr. izotropia vo všetkých smeroch. Pozorovanie hoci aj maličkého narušenia CPT by si vyžiadalo revíziu našich predpokladov o povahe a vlastnostiach časopriestoru.

Kolaborácia ASACUSA je presvedčená, že dokáže ďalej zlepšiť presnosť antiprotónovej hmotnosti pomocou dvoch laserových zväzkov. V blízkej budúcnosti dokáže zlepšiť tieto merania aj zariadenie ELENA v CERNe.

Video ASACUSA experimentu:

– VNR : https://cds.cern.ch/record/2229241

– B-roll: https://cds.cern.ch/record/2229556

Komentáre