U radu koji je danas objavljen u časopisu „Science“, eksperiment ASACUSA u CERN-u objavio je nova precizna merenja relativne mase antiprotona.
Ovaj rezultat je zasnovan na spektroskopskim merenjima sa oko dve milijarde antiprotonskih atoma helijuma ohlađenih do ekstremno niskih temperatura od 1.5 do 1.7 stepena iznad apsolutne nule. Atom antiprotoskog helijuma nastaje tako što se u običnom atomu helijuma jedan elektron zameni anitprotonom. Ovakva merenja predstavljaju jedinstveni instrument kojim se sa visokom preciznošću može porediti masa čestice i odgovarajuće antičestice. Te dve mase bi trebalo da budu strogo identične.
“Poprilično veliki broj atoma koji sadrže antiproton je ohlađeno na temperaturu ispod 271 stepeni Celzijusove skale. Pomalo je iznenađujuće da se atom od “pola antimaterije” može toliko ohladiti tako što se samo stavi u ohlađeni gas normalnog helijuma”, rekao je portparol ASACUSA kolaboracije, Masaki Hori.
Čestice materije i antimaterije se prilikom sudara uvek proizvode u parovima. Čestica i antičestica imaju istu masu i suprotna naelektrisanja. Pozitivno naelektrisan pozitron, na primer, je anti-elektron, antičestica negativno naelektrisanog elektrona. Pozitroni su detektovani i izučavani još od tridesetih godina prošlog veka, i u prirosnim sudarima sa kosmičkim zracima i u aksceleratorima čestica. Koriste se u bolnicama u PET skenerima. Ipak, izučavanje čestica antimaterije sa visokom preciznošću ostaje izazov jer se materija i antimaterja anihiliraju prilikom kontakta - nestajući u bljesku energije.
Usporivač antiprotona u CERN-u je jedinstveno postrojenje koje proizvodi niskoenergetske antiprotonske snopove za eksperimentalno izučavanje antimaterije. Da bi se obavila merenja sa antiprotonima, nekoliko eksperimenata ih hvata u dugoročne “zamke” koristeći magnetne uređaje. ASACUSA eksperiment ima drugačiji pristup jer može da stvori vrlo poseban hibridni atom koji se sastoji od mešavine materije i antimaterije: u pitanju su antiprotonski atomi helijuma koji se sastoje od jednog antiprotona i jednog elektrona koji kruže oko helijumovog jezgra. Kada se pomešaju antiprotoni i helijumov gas, oko 3% antiprotona će zameniti jedan od elektrona u atomu helijuma. U antiprotonskom helijumu, antiproton se nalazi u orbiti oko jezgra helijuma i zaštićen je elektronskim oblakom koji obavija ceo atom, tako da je antiprotonski helijum dovoljno stabilan za precizna merenja.
Masa antiprotona se meri spektroskopijom, obasjavanjem antiprotonskog helijuma laserskim snopom. Laserski snop koji je podešen na pravu frekvencu pobuđuje kvantni prelaz antiprotona unutar atoma. Na osnovu ove frekvence može se izračunati masa antiprotona izražena u jedinicama mase elektrona. ASACUSA kolaboracija je već uspešno koristila ovaj metod za merenje mase antiprotona sa visokom tačnošću. Međutim, mikroskopska kretanja atoma antiprotonskog helijuma predstavljala su značajan izvor neodređenosti u ranijim merenjima.
Kako je objavljeno u časopisu “Science”, veliko novo dostignuće kolaboracije ASACUSA je što su uspeli da ohlade atome antiprotoskog helijuma do temperatura bliskih apsolutnoj nuli njihovom suspenzijom u veoma hladni helijumski tampon-gas. Na ovaj način, mikroskopska kretanja atoma su smanjina i time je povećana preciznost merenja frekvencija. Merenja frekvence su sada 1.4 do 10 puta preciznija od ranijih merenje. Eksperimenti su izvođeni od 2010. do 2014. godine, sa oko dve milijarde atoma, što je otprilike 17 femtograma antiprotonskog helijuma.
Prema standardnim teorijama se očekuje da protoni i antiprotoni imaju potpuno jednaku masu. Do sada nisu izmerene nikakve razlike u ovim masama, ali povećanje preciznosti u njihovom upoređivanju je veoma važan test ključnih teorijskih principa kao što je CPT simetrija. CPT je posledica osnovnih simetrija prostor-vremena, kao što je njegova izotropija u svim pravcima. Nalaženje i najmanjeg narušenja CPT-a bi dovelu u pitanje sve pretpostavke o prirodi i svojstvima prostor-vremena.
U kolaboraciji ASACUSA su uvereni da će moći da dodatno poboljšaju preciznost mase antiprotona korišćenjem dva laserska snopa. U bliskoj budućnosti će biti pokrenuto postrojenje ELENA u CERN-u koje će omogućiti poboljšanje ovih merenja.
