Forskare från BASE-samarbetet, ledd av RIKEN-forskare, har utvecklat en ny kylmetod som kommer att möjliggöra enklare mätningar av en egenskap hos protoner och antiprotoner som kallas det magnetiska momentet. Detta är en av egenskaperna som undersöks för att lösa mysteriet om varför vårt universum innehåller materia men nästan ingen antimateria.

Vårt universum borde, under standardmodellen, har lika stora mängder materia och antimateria, men i verkligheten gör det inte det. För att ta reda på varför, Forskare runt om i världen försöker upptäcka små skillnader mellan de två som kan lösa mysteriet. En lovande väg är att utforska om det finns skillnader i det magnetiska momentet för protonen och antiprotonen, och BASE-experimentet, baserad på CERN, försöker fastställa detta. Med hjälp av en sofistikerad enhet – en Penning-fälla som kan fånga och detektera en enskild partikel – kunde BASE-teamet tidigare förbättra precisionen för mätningar av proton- och antiprotonmagnetiska moment med en faktor trettio och med mer än tre storleksordningar, respektive, leder till ett test av materia/antimateriasymmetri på nivån 1,5 delar på en miljard, finner i huvudsak att magneterna i protonen och antiprotonen liknar nio signifikanta siffror.

En svårighet – bland många – med att utföra sådana experiment är att att mäta de magnetiska momenten exakt, partiklarna måste hållas vid temperaturer nära absolut noll, -273,15°C. I tidigare experiment förbereddes de kalla temperaturerna med hjälp av en teknik som kallas "selektiv resistiv kylning, "som är tidskrävande och, enligt forskarna, "liknar att kasta en tärning med 100 ansikten, försöker slå en 1."

För det aktuella experimentet, publicerad i Natur , BASE-samarbetet rapporterade om den första demonstrationen någonsin av "sympatisk kylning" av en enda proton genom att koppla partikeln till ett moln av laserkylda 9Be+-joner. Sympatisk kylning innebär att man använder lasrar eller andra enheter för att kyla en typ av partikel, och sedan använda dessa partiklar för att överföra värmen från partikeln de vill kyla. Med denna teknik, gruppen kylde samtidigt ett resonansläge av en makroskopisk supraledande avstämd krets med laserkylda joner, och uppnådde också den sympatiska kylningen av en enda instängd proton, nå temperaturer nära absolut noll.

Tekniken som beskrivs i den senaste artikeln är ett viktigt första steg mot en avsevärd minskning av ansikten på tärningsgrenröret, med visionen att idealiskt reducera ytan till bara en. "Vi rapporterar ett viktigt första steg, och vidareutvecklingen av denna metod kommer i slutändan att leda till ett idealiskt spin-flip-experiment, där en enda lågtemperaturproton kommer att förberedas inom bara några sekunder. Detta gör att vi kan bestämma partikelns spinntillstånd i bara en mätning som tar ungefär en minut, säger Christian Smorra, en av forskarna som leder studien. "Detta är betydligt snabbare än våra tidigare magnetiska momentmätningar, och kommer att förbättra både urvalsstatistik och upplösningen av våra systematiska studier, " tillägger Matthew Bohman, en doktorsexamen student vid Max Planck Institute for nuclear Physics, Heidelberg och studiens första författare.

"Dessutom, den rapporterade prestationen har tillämpningar inte bara i proton/antiproton magnetiska momentmätningar. Den lägger till allmän ny teknik till verktygslådan för precisionsfysik med Penning-trap, och har även potentiella tillämpningar i andra kärnmagnetiska momentmätningar, ultraexakta jämförelser av laddning-till-massa-förhållanden i Penning-fällor, eller till och med för att öka produktionen av antiväte, tillägger Stefan Ulmer, talesperson för BASE-samarbetet och chefsforskare vid RIKEN Fundamental Symmetries Laboratory.

BASE-samarbetet driver tre experiment, en på antimateriafabriken i CERN, en vid universitetet i Hannover, och en vid University of Mainz, laboratoriet där den nya metoden faktiskt implementerades. Den rapporterade studien är ett resultat av det gemensamma samarbetet mellan RIKEN, tyska Max Planck Society, universiteten i Mainz, Hannover och Tokyo, det tyska metrologiinstitutet PTB, CERN, och GSI Darmstadt. Arbetet stöddes av Max Planck, RIKEN, PTB-center för tid, konstanter och fundamentala symmetrier.