I ett papper publicerat idag i tidningen Vetenskap , ASACUSA -experimentet vid CERN rapporterade ny precisionsmätning av antiprotonets massa i förhållande till elektronens. Detta resultat är baserat på spektroskopiska mätningar med cirka 2 miljarder antiprotoniska heliumatomer kylda till extremt kalla temperaturer på 1,5 till 1,7 grader över absolut noll. I antiprotoniska heliumatomer tar en antiproton platsen för en av elektronerna som normalt skulle kretsa runt kärnan. Sådana mätningar tillhandahåller ett unikt verktyg för att med hög precision jämföra massan av en antimateriepartikel med dess motpart. De två bör vara helt identiska.

"Ett ganska stort antal atomer som innehåller antiprotoner kyldes till minus 271 grader Celsius. Det är lite förvånande att en" halv-antimateriell "atom kan göras så kall genom att helt enkelt placera den i en kyld gas med normalt helium, "sa Masaki Hori, gruppledare vid ASACUSA -samarbetet.

Material- och antimateriepartiklar produceras alltid som ett par vid partikelkollisioner. Partiklar och antipartiklar har samma massa och motsatt elektrisk laddning. Den positivt laddade positronen, till exempel, är en anti-elektron, motpartikeln av den negativt laddade elektronen. Positroner har observerats sedan 1930 -talet, både vid naturliga kollisioner från kosmiska strålar och i partikelacceleratorer. De används idag på sjukhus i PET -skannrar. Dock, att studera antimateriepartiklar med hög precision är fortfarande en utmaning för när materia och antimateria kommer i kontakt, de förintar - försvinner i en blixt av energi.

CERNs Antiproton Decelerator är en unik anläggning som levererar lågenergiprotonstrålar till experiment för antimateriaundersökningar. För att göra mätningar med dessa antiprotoner, flera experiment fångar dem under långa perioder med hjälp av magnetiska enheter. ASACUSA:s tillvägagångssätt är annorlunda eftersom experimentet kan skapa mycket speciella hybridatomer gjorda av en blandning av materia och antimateria:dessa är de antiprotoniska heliumatomerna som består av en antiproton och en elektron som kretsar runt en heliumkärna. De tillverkas genom att blanda antiprotoner med heliumgas. I denna blandning, cirka 3% av antiprotonerna ersätter en av de två elektronerna i heliumatomen. I antiprotoniskt helium, antiprotonet är i en bana runt heliumkärnan, och skyddad av elektronmolnet som omger hela atomen, gör antiprotoniskt helium tillräckligt stabilt för precisionsmätningar.

Mätningen av antiprotons massa görs genom spektroskopi, genom att lysa en laserstråle mot det antiprotoniska heliumet. Stämning av lasern till rätt frekvens gör att antiprotonerna gör ett kvanthopp inom atomerna. Från denna frekvens kan antiprotonmassan i förhållande till elektronmassan beräknas. Denna metod har framgångsrikt använts tidigare av ASACUSA -samarbetet för att mäta antiprotons massa med hög noggrannhet. Dock, den mikroskopiska rörelsen för de antiprotoniska heliumatomerna införde en betydande källa till osäkerhet vid tidigare mätningar.

Den stora nya prestationen av samarbetet, som rapporterats i Vetenskap , är att ASACUSA nu har lyckats kyla ned de antiprotoniska heliumatomerna till temperaturer nära absolut noll genom att suspendera dem i en mycket kall heliumbuffertgas. På det här sättet, atomernas mikroskopiska rörelse reduceras, öka precisionen i frekvensmätningen. Mätningen av övergångsfrekvensen har förbättrats med en faktor 1,4 till 10 jämfört med tidigare experiment. Experiment utfördes från 2010 till 2014, med cirka 2 miljarder atomer, motsvarande ungefär 17 femtogram antiprotoniskt helium.

Enligt standardteorier, protoner och antiprotoner förväntas ha exakt samma massa. Hittills, ingen skillnad har hittats mellan deras massor, men att pressa precisionsgränserna för denna jämförelse är ett mycket viktigt test av viktiga teoretiska principer som CPT -symmetri. CPT är en följd av grundläggande symmetrier av rymdtid, såsom dess isotropi i alla riktningar. Observationen av en minuts brytning av CPT skulle kräva en översyn av våra antaganden om rymdtidens natur och egenskaper.

ASACUSA -samarbetet är övertygat om att det kommer att kunna ytterligare förbättra precisionen i antiprotons massa genom att använda två laserstrålar. Inom en snar framtid, starten av ELENA -anläggningen vid CERN kommer också att göra det möjligt att förbättra precisionen hos sådana mätningar.