martedì 8 novembre 2016

Al CERN misura ancora più accurata della massa di un antiprotone


L'esperimento ASACUSA del CERN di Ginevra ha ottenuto una nuova misura più precisa della massa dell'antiprotone relativa a quella dell'elettrone. Il risultato è stato pubblicato sulla rivista Science. Questo esito si basa su misure spettroscopiche con circa 2 miliardi di atomi di elio antiprotonico raffreddato a temperature estremamente fredde da 1,5 a 1,7 gradi sopra lo zero assoluto. Negli atomi di elio antiprotonico un antiprotone prende il posto di uno degli elettroni che normalmente sarebbero in orbita intorno al nucleo. Tali misure forniscono uno strumento unico per il confronto con elevata precisione della massa di un'antiparticella con la sua controparte materia.

Le due masse dovrebbero risultare rigorosamente identiche. "Un grande numero di atomi contenenti antiprotoni sono stati raffreddati a meno 271 gradi Celsius. È sorprendente che un atomo 'mezzo-antimateria' possa essere creato in modo freddo, semplicemente ponendolo in un gas refrigerato di normale elio", ha detto Masaki Hori, Capogruppo alla collaborazione ASACUSA. Le particelle di materia e antimateria sono sempre prodotte come una coppia dalle collisioni di particelle. Particelle e antiparticelle hanno la stessa massa e carica elettrica opposta. Il positrone a carica positiva, per esempio, è un anti-elettrone, l'antiparticella dell'elettrone a carica negativa (elettrone positivo).

Image credit: © Maximilien Brice/CERN 

I positroni sono stati osservati fin dal 1930, sia nelle collisioni naturali dei raggi cosmici che negli acceleratori di particelle. Oggi vengono utilizzati in ospedale nei PET scanner (dall'inglese Positron Emission Tomography). Tuttavia, studiare le particelle di antimateria con alta precisione rimane una sfida, perché quando materia e antimateria vengono a contatto, si annichilano - spariscono in un lampo di energia. Il deceleratore di antiprotoni del CERN è una struttura unica che offre fasci di antiprotoni a bassa energia per gli esperimenti sugli studi dell'antimateria. Al fine di effettuare misurazioni con questi antiprotoni, diversi esperimenti li hanno intrappolati per lunghi periodi utilizzando dispositivi magnetici. 

L'approccio di ASACUSA è diverso in quanto l'esperimento è in grado di creare atomi ibridi molto particolari realizzati in un mix di materia e antimateria: questi sono gli atomi di elio antiprotonico composto da un antiprotone e un elettrone orbitanti in un nucleo di elio. Sono fatti mescolando antiprotoni con gas elio. In questa miscela, circa il 3% dei antiprotoni sostituisce uno dei due elettroni dell'atomo di elio. Nell'elio antiprotonico, l'antiprotone è in orbita intorno al nucleo di elio, e protetto dalla nube di elettroni che circonda l'intero atomo, rendendo l'elio antiprotonico sufficientemente stabile per misure di precisione. La misura della massa dell'antiprotone viene effettuata mediante spettroscopia, dalla proiezione di un raggio laser sull'elio antiprotonico.

Mettere a punto il laser con la giusta frequenza porta gli antiprotoni a fare un salto quantico all'interno degli atomi. Da questa frequenza è possibile calcolare la massa dell'antiprotone relativa alla massa dell'elettrone. Questo metodo è stato utilizzato con successo precedentemente dalla collaborazione ASACUSA per misurare con elevata precisione la massa dell'antiprotone. Tuttavia, il movimento microscopico degli atomi dell'elio antiprotonico ha introdotto una significativa fonte di incertezza nelle misure precedenti. Il nuovo importante risultato, come riportato su Science, è che ASACUSA è riuscito a raffreddare gli atomi di elio antiprotonico a temperature prossime allo zero assoluto sospendendole in un tampone di elio-gas molto freddo.

Image credit: © Maximilien Brice/CERN

In questo modo, il moto microscopico degli atomi viene ridotto, migliorando la precisione della misura di frequenza. La misurazione della frequenza di transizione è stata migliorata di un fattore da 1,4 a 10 rispetto ai precedenti esperimenti. Gli esperimenti sono stati condotti dal 2010 al 2014, con circa 2 miliardi di atomi, corrispondenti a circa 17 femtogrammi di elio antiprotonico. Secondo le teorie standard, protoni e antiprotoni hanno esattamente la stessa massa. Ad oggi, nessuna differenza è stata trovata tra le loro masse, ma superando i limiti di precisione di questo confronto è un test molto importante dei principi teorici fondamentali, come la simmetria CPT. CPT è una conseguenza delle simmetrie fondamentali dello spazio-tempo, come la sua isotropia in tutte le direzioni. 

L'osservazione anche di un minuto della rottura della CPT richiederebbe una revisione delle nostre ipotesi circa la natura e le proprietà dello spazio-tempo. La collaborazione ASACUSA è fiduciosa che sarà in grado di migliorare ulteriormente la precisione della massa dell'antiprotone utilizzando due raggi laser. Nel prossimo futuro, l'inizio del progetto ELENA al CERN consentirà anche di migliorare la precisione di tali misurazioni. Il CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, è il laboratorio leader mondiale per la fisica delle particelle. La sua sede è a Ginevra. Per maggiori informazioni: https://home.cern/about/experiments/asacusa. Il testo originale del comunicato, redatto in lingua inglese, è la versione ufficiale unicamente valida, mentre la sua traduzione è offerta soltanto per comodità del lettore. 



Fonte: CERN Press
Foto credit: © CERN

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