Experimento do CERN melhora a precisão da medição de massa de antiprótons com nova técnica de resfriamento inovadora
Num artigo publicado hoje na revista Science, a experiência ASACUSA no CERN relatou uma nova medição precisa da massa do antipróton em relação à do eletrão. Este resultado é baseado em medições espectroscópicas com cerca de 2 mil milhões de átomos de hélio antiprotónicos arrefecidos a temperaturas extremamente frias de 1,5 a 1,7 graus acima do zero absoluto. Nos átomos de hélio antiprotônicos, um antipróton ocupa o lugar de um dos elétrons que normalmente orbitaria o núcleo. Tais medições fornecem uma ferramenta única para comparar com alta precisão a massa de uma partícula de antimatéria com sua contraparte de matéria. Os dois devem ser estritamente idênticos.
"Um número bastante grande de átomos contendo antiprótons foi resfriado abaixo de 271 graus Celsius negativos. É surpreendente que um átomo de 'meio antimatéria' possa ser tornado tão frio simplesmente colocando-o em um gás refrigerado de hélio normal", disse Masaki Hori. , líder do grupo na colaboração ASACUSA.
Partículas de matéria e antimatéria são sempre produzidas como um par em colisões de partículas. Partículas e antipartículas têm a mesma massa e carga elétrica oposta. O pósitron com carga positiva, por exemplo, é um anti-elétron, a antipartícula do elétron com carga negativa. Os pósitrons têm sido observados desde a década de 1930, tanto em colisões naturais de raios cósmicos quanto em aceleradores de partículas. Eles são usados ​​hoje em hospitais em scanners PET. No entanto, estudar partículas de antimatéria com alta precisão continua a ser um desafio porque quando matéria e antimatéria entram em contacto, elas aniquilam – desaparecendo num flash de energia.
O Desacelerador Antipróton do CERN é uma instalação única que fornece feixes de antipróton de baixa energia para experimentos de estudos de antimatéria. Para fazer medições com esses antiprótons, vários experimentos os prendem por longos períodos usando dispositivos magnéticos. A abordagem da ASACUSA é diferente porque a experiência é capaz de criar átomos híbridos muito especiais feitos de uma mistura de matéria e antimatéria: estes são os átomos de hélio antiprotônicos compostos por um antipróton e um elétron orbitando um núcleo de hélio. Eles são feitos misturando antiprótons com gás hélio. Nesta mistura, cerca de 3% dos antiprótons substituem um dos dois elétrons do átomo de hélio. No hélio antiprotônico, o antipróton está em órbita ao redor do núcleo do hélio e protegido pela nuvem de elétrons que envolve todo o átomo, tornando o hélio antiprotônico estável o suficiente para medições precisas.
A medição da massa do antipróton é feita por espectroscopia, direcionando um feixe de laser sobre o hélio antiprotônico. Ajustar o laser na frequência certa faz com que os antiprótons dêem um salto quântico dentro dos átomos. A partir desta frequência, a massa do antipróton em relação à massa do elétron pode ser calculada. Este método já foi utilizado com sucesso pela colaboração ASACUSA para medir com alta precisão a massa do antipróton. No entanto, o movimento microscópico dos átomos de hélio antiprotônico introduziu uma fonte significativa de incerteza nas medições anteriores.
A principal nova conquista da colaboração, conforme relatado na Science, é que a ASACUSA conseguiu agora arrefecer os átomos de hélio antiprotónico a temperaturas próximas do zero absoluto, suspendendo-os num gás tampão de hélio muito frio. Desta forma, o movimento microscópico dos átomos é reduzido, aumentando a precisão da medição de frequência. A medição da frequência de transição foi melhorada por um fator de 1,4 a 10 em comparação com experimentos anteriores. Os experimentos foram realizados de 2010 a 2014, com cerca de 2 bilhões de átomos, correspondendo a cerca de 17 femtogramas de hélio antiprotônico.
De acordo com as teorias padrão, espera-se que prótons e antiprótons tenham exatamente a mesma massa. Até o momento, nenhuma diferença foi encontrada entre suas massas, mas forçar os limites de precisão dessa comparação é um teste muito importante de princípios teóricos fundamentais, como a simetria CPT. O CPT é uma consequência das simetrias básicas do espaço-tempo, como a sua isotropia em todas as direções. A observação de uma quebra mínima do CPT exigiria uma revisão dos nossos pressupostos sobre a natureza e as propriedades do espaço-tempo.
A colaboração ASACUSA está confiante de que será capaz de melhorar ainda mais a precisão da massa do antipróton usando dois feixes de laser. Num futuro próximo, o início das instalações ELENA no CERN também permitirá melhorar a precisão de tais medições.
Mais informações: M. Hori et al. Resfriamento de gás tampão de hélio antiprotônico para 1,5 a 1,7 K e proporção de massa de antipróton para elétron, Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf6702
Informações da revista: Ciência
Fornecido pelo CERN