Percobaan CERN meningkatkan presisi pengukuran massa antiproton dengan teknik pendinginan baru yang inovatif

Anonim

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di jurnal Science, percobaan ASACUSA di CERN melaporkan pengukuran presisi baru dari massa antiproton relatif terhadap elektron. Hasil ini didasarkan pada pengukuran spektroskopi dengan sekitar 2 miliar atom helium antiprotonik yang didinginkan ke suhu sangat dingin 1, 5 hingga 1, 7 derajat di atas nol mutlak. Dalam atom helium antiprotonik, suatu antiproton menggantikan salah satu elektron yang biasanya mengorbit nukleus. Pengukuran tersebut memberikan alat yang unik untuk membandingkan dengan presisi tinggi massa partikel antimateri dengan rekan materi. Keduanya harus benar-benar identik.

"Sejumlah besar atom yang mengandung antiproton didinginkan di bawah minus 271 derajat Celcius. Ini agak mengejutkan bahwa atom 'setengah-antimateri' dapat dibuat sangat dingin dengan hanya menempatkannya dalam gas berpendingin dari helium normal, " kata Masaki Hori., pemimpin kelompok di ASACUSA kolaborasi.

Partikel materi dan antimateri selalu dihasilkan sebagai pasangan dalam tabrakan partikel. Partikel dan antipartikel memiliki muatan listrik yang sama dan berlawanan. Positron bermuatan positif, misalnya, adalah anti-elektron, antipartikel dari elektron bermuatan negatif. Positron telah diamati sejak tahun 1930-an, baik dalam tabrakan alami dari sinar kosmik dan di akselerator partikel. Mereka digunakan hari ini di rumah sakit di PET scanner. Namun, mempelajari partikel antimateri dengan presisi tinggi tetap menjadi tantangan karena ketika materi dan antimateri bersentuhan, mereka memusnahkan - menghilang dalam sekejap energi.

CERN's Antiproton Decelerator adalah fasilitas unik yang mengantarkan sinar antiproton berenergi rendah ke eksperimen untuk studi antimateri. Untuk melakukan pengukuran dengan antiproton ini, beberapa percobaan menjebaknya untuk waktu yang lama menggunakan perangkat magnetik. Pendekatan ASACUSA berbeda karena eksperimen ini mampu menciptakan atom hibrida yang sangat khusus yang terbuat dari campuran materi dan antimateri: ini adalah atom helium antiprotonik yang tersusun dari antiproton dan elektron yang mengorbit nukleus helium. Mereka dibuat dengan mencampur antiproton dengan gas helium. Dalam campuran ini, sekitar 3% dari antiproton menggantikan salah satu dari dua elektron dari atom helium. Dalam helium antiprotonik, antiproton berada di orbit di sekitar inti helium, dan dilindungi oleh awan elektron yang mengelilingi seluruh atom, membuat helium antiprotonik cukup stabil untuk pengukuran presisi.

Pengukuran massa antiproton dilakukan dengan spektroskopi, dengan menyinari sinar laser ke helium antiprotonik. Menyetel laser ke frekuensi yang tepat menyebabkan antiproton untuk membuat lompatan kuantum di dalam atom. Dari frekuensi ini massa antiproton relatif terhadap massa elektron dapat dihitung. Metode ini telah berhasil digunakan sebelumnya oleh kolaborasi ASACUSA untuk mengukur dengan akurasi tinggi massa antiproton. Namun, gerakan mikroskopis dari atom helium antiprotonik memperkenalkan sumber ketidakpastian yang signifikan dalam pengukuran sebelumnya.

Pencapaian utama baru dari kolaborasi, seperti yang dilaporkan dalam Science, adalah bahwa ASACUSA sekarang telah berhasil mendinginkan atom helium antiprotonik ke suhu mendekati nol mutlak dengan menangguhkannya di dalam buffer-gas helium yang sangat dingin. Dengan cara ini, gerakan mikroskopik atom berkurang, meningkatkan ketepatan pengukuran frekuensi. Pengukuran frekuensi transisi telah ditingkatkan dengan faktor 1, 4 hingga 10 dibandingkan dengan percobaan sebelumnya. Percobaan dilakukan dari 2010 hingga 2014, dengan sekitar 2 miliar atom, sesuai dengan sekitar 17 femtogram helium antiprotonik.

Menurut teori standar, proton dan antiproton diharapkan memiliki massa yang persis sama. Sampai saat ini, tidak ada perbedaan yang ditemukan di antara massa mereka, tetapi mendorong batas-batas presisi perbandingan ini adalah tes yang sangat penting dari prinsip-prinsip teoretis kunci seperti simetri CPT. CPT adalah konsekuensi dari simetri dasar ruang-waktu, seperti isotropinya ke segala arah. Pengamatan bahkan penghentian CPT sebentar akan meminta peninjauan asumsi kami tentang sifat dan sifat ruang-waktu.

Kolaborasi ASACUSA yakin bahwa ia akan dapat lebih meningkatkan ketepatan massa antiproton dengan menggunakan dua sinar laser. Dalam waktu dekat, dimulainya fasilitas ELENA di CERN juga akan memungkinkan ketepatan pengukuran tersebut untuk ditingkatkan.

menu
menu