La colaboración de investigación internacional base, en la que la Universidad de Heinrich Heine Düsseldorf (HHU) está fuertemente involucrada, ha reubicado con éxito protones fuera de un laboratorio antimateria por primera vez con la ayuda de una trampa autónoma y abierta. Este avance marca un paso significativo hacia el transporte de antiprotones producidos en la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) a laboratorios de alta precisión como Base-HHU, que operan independientemente de la instalación de investigación. Como los investigadores ahora explican en la revista científica Naturalezalas mediciones extremadamente precisas para comparar la materia y la antimateria solo son posibles de las instalaciones del acelerador.
Los protones son los bloques de construcción básicos de la materia. Junto con neutrones, forman núcleos atómicos. Estas partículas diminutas cargadas positivamente tienen una contraparte antimateria, antiprotones. Mientras que estos últimos tienen una carga negativa y un momento magnético invertido, son idénticos a los protones, al menos según el modelo estándar de física de partículas.
La colaboración base (Experimento de simetría de Antibaryon Baryon) basado en CERN en Ginebra está buscando diferencias minúsculas entre protones y antiprotones. El profesor Dr. Stefan Ulmer, físico de HHU y el fundador y portavoz de la colaboración base, explica: “Necesitamos un nivel extremadamente alto de precisión de medición para poder identificar posibles diferencias en el momento magnético o la relación de carga a masa. Es prácticamente imposible lograr este punto cercano a los aceleradores de los Cern, aunque, sin embargo, como los acuerdos de los accesorios de los acuerdos de los acuerdos de los acuerdos de los acuerdos, los acuerdos que están acordado, de acuerdo simplemente, de acuerdo, de acuerdo. Los antiprotones produjeron en el CERN a Düsseldorf para medirlos aquí en un laboratorio nuevo y extremadamente bien protegido “.
Las mediciones de alta precisión de este tipo requieren antiprotones de baja energía, que solo se pueden producir en el CERN. Específicamente, en la fábrica de antimateria (AMF) en el desacelerador antiproton (AD) donde se basa el experimento. Los antiprotones ya han sido desacelerados y confinados con éxito en una llamada trampa de escena (HHU Information del 2 de agosto de 2024).
Reubicar los antiprotones a otro laboratorio que está a muchos cientos de kilómetros de distancia es una tarea altamente compleja. El equipo base ha dado un paso decisivo a este respecto al desarrollar un sistema robusto, transportable, superconductor, abierto y autónomo de trampa de vía conocido como Base-Step. Este sistema permite inyectarse y expulsarse antiprotones de la trampa, y así transferirse a otros experimentos. Lo usaron por primera vez en el otoño de 2024 para extraer una nube de protones del AMF y transportarla por camión a través del sitio principal de CERN.
Marcel Leonhardt, un maestro estudiante de profesor Ulmer y autor principal de la publicación: “Pudimos demostrar la reubicación sin pérdidas de protones, mantener la operación autónoma sin energía externa durante cuatro horas y continuar operando la trampa libre de pérdidas después.
El Dr. Christian Smorra de HHU, líder de proyectos de pasos de base y científico senior en la base agrega: “Los generadores de energía móvil se pueden usar para aumentar el rango de transporte del sistema a voluntad, lo que permite rutas y tiempos de transporte más largos. Nuestra visión es poder comunicarse con laboratorios en toda Europa en el futuro”.
Ahora que la funcionalidad del sistema de transporte se ha demostrado con protones, el siguiente paso es abordar la reubicación de antiprotones. Smorra: “Si también manejamos esto, entonces marcará el aumento potencial de una nueva period en la investigación de precisión antimateria. Podríamos realizar espectroscopía antiprotón en los laboratorios más adecuados, así que también en HHU en el futuro”.
La tecnología ofrece aún más posibilidades. El profesor Ulmer concluye: “Debería ser posible transportar otras partículas y moléculas exóticas, como iones altamente cargados, por ejemplo de GSI en Darmstadt, o iones antimateria cargados e iones moleculares y para estudiarlos de forma independiente de los aceleradores”.
La investigación se financió principalmente con la subvención inicial de la investigación europea (ERC) adquirida por el Dr. Smorra.
Antecedentes: experimentos de alta precisión sobre invariancia CPT
Con los antiprotones como componentes básicos de la antimateria, son posibles comparaciones estrictas de materia-antimateria. La pregunta subyacente es si la materia y la antimateria difieren en características como la masa, la carga y el momento magnético. Según el modelo estándar de física de partículas, no debe haber diferencias. Sin embargo, la génesis de la materia después del Massive Bang sugiere que las diferencias deben existir de hecho.
Entre otras cosas, los investigadores buscaron evaluar la invariancia de reversión de la inversión de tiempo de carga de carga basic (CPT) en el modelo estándar de física de partículas. Esto establece que cualquier proceso que surja de otro posible proceso al intercambiar materia con antimateria y además reflejando el espacio y el tiempo de revertencia también cumple con las leyes de la física y, por lo tanto, es posible.
Se usaron antiprotones de baja energía en el AMF para realizar tales pruebas en la espectroscopía de alta precisión de los átomos antiprotónicos (átomos en los que el electrón ha sido reemplazado por un antiprotón) y antihidrógeno. Al comparar los momentos magnéticos de protones y antiprotones, la base hasta ahora ha logrado una precisión de 1,5 partes por mil millones.
La colaboración también logró la prueba más precisa de invariancia de CPT hasta la fecha para los bariones (partículas pesadas que generalmente consisten en tres quarks, incluidos el protón y el antiprotón) comparando su relación de carga a masa. Se logró una incertidumbre relativa de 16 partes por billón.
