שיתוף הפעולה של BASE ב-CERN פיתח שיטה חדשה לקירור אנטי פרוטונים מהר יותר, המאפשר מדידות מדויקות יותר של המסה והמומנט המגנטי שלהם. פריצת דרך זו עשויה לסייע בגילוי אסימטריות בין חומר ואנטי-חומר, ולאתגר את המודל הסטנדרטי הנוכחי של פיזיקת החלקיקים.
צוות BASE ב CERN יש שיפור בטכניקות קירור אנטי-פרוטונים, המאפשרות מדידות מהירות ומדויקות יותר המאתגרות את התיאוריות הקיימות של סימטריית חומר-אנטי-חומר, ועשויות לעצב מחדש את ההבנה שלנו לגבי הרכב היקום.
מדוע היקום מכיל חומר ולמעשה אין בו אנטי-חומר? שיתוף הפעולה המחקרי הבינלאומי של BASE בארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN) בז'נבה, בראשותו של פרופסור ד"ר סטפן אולמר מאוניברסיטת היינריך היינה דיסלדורף (HHU), עשה פריצת דרך ניסיונית משמעותית בטיפול בשאלה זו. הם פיתחו שיטה למדידת המסה והמומנט המגנטי של אנטי-פרוטונים בדיוק חסר תקדים, שעשויה לסייע בגילוי אסימטריות אפשריות בין חומר לאנטי-חומר. הצוות ב-BASE עיצב מלכודת שיכולה לקרר אנטי פרוטונים בודדים הרבה יותר מהר ממה שהיה אפשרי בעבר, כפי שדווח בכתב העת המדעי מכתבי סקירה פיזית.
לאחר המפץ הגדול לפני יותר מ-13 מיליארד שנים, היקום היה מלא בקרינה עתירת אנרגיה, שיצרה ללא הרף זוגות של חומר וחלקיקים אנטי-חומר כגון פרוטונים ואנטי-פרוטונים. כאשר זוג כזה מתנגש, החלקיקים מושמדים ומומרים שוב לאנרגיה טהורה. אז, בסך הכל, בדיוק אותן כמויות של חומר ואנטי-חומר צריכות להיווצר ולהשמיד שוב, כלומר היקום צריך להיות חסר חומר במידה רבה כתוצאה מכך.
"המלכדת הכפולה לקירור הדמונים של מקסוול", שפותחה על ידי שיתוף הפעולה BASE. ניתן להשתמש בו כדי לקרר אנטי-פרוטונים במהירות רבה לטמפרטורות הנחוצות למדידות בדיוק גבוה. קרדיט: BASE-Collaboration / סטפן אולמר
עם זאת, ברור שיש חוסר איזון – אסימטריה – שכן חפצים חומריים אכן קיימים. נוצרה כמות זעירה יותר חומר מאנטי-חומר – מה שסותר את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. לפיכך, פיסיקאים ביקשו להרחיב את המודל הסטנדרטי במשך עשרות שנים. לשם כך, הם צריכים גם מדידות מדויקות ביותר של פרמטרים פיזיקליים בסיסיים.
תפקיד שיתוף הפעולה של BASE
זוהי נקודת המוצא לשיתוף הפעולה של BASE ("ניסוי סימטריה של בריון אנטיבריון"). זה כולל את האוניברסיטאות בדיסלדורף, האנובר, היידלברג, מיינץ וטוקיו, המכון השוויצרי הפדרלי לטכנולוגיה בציריך ומתקני המחקר ב-CERN בז'נבה, מרכז GSI הלמהולץ בדרמשטדט, מכון מקס פלאנק לפיזיקה גרעינית בהיידלברג, המכון הלאומי למטרולוגיה של גרמניה (PTB) בבראונשווייג ו-RIKEN בוואקו/יפן.
"השאלה המרכזית עליה אנו מבקשים לענות היא: האם חלקיקי החומר וחלקיקי האנטי-חומר התואמים להם שוקלים בדיוק אותו הדבר והאם יש להם בדיוק אותם מומנטים מגנטיים, או שיש הבדלים זעירים?" מסביר פרופסור סטפן אולמר, דובר BASE. הוא פרופסור במכון לפיזיקה ניסויית ב-HHU וגם עורך מחקר ב-CERN וב-RIKEN.
הפיזיקאים רוצים לבצע מדידות ברזולוציה גבוהה במיוחד של מה שנקרא ספין-פליפ – מעברים קוונטיים של ספין הפרוטונים – עבור אנטי-פרוטונים בודדים, קרים במיוחד, ולכן בעלי אנרגיה נמוכה במיוחד; כלומר השינוי בכיוון הספין של הפרוטון. "מתוך תדרי המעבר הנמדדים, אנו יכולים, בין היתר, לקבוע את המומנט המגנטי של האנטי-פרוטונים – מגנטי הבר הפנימיים הזעירים שלהם, כביכול", מסביר אולמר ומוסיף: "המטרה היא לראות ברמה חסרת תקדים של דיוק האם למגנטים מוטים אלה בפרוטונים ואנטי פרוטונים יש את אותו חוזק."
ניתן להשתמש במלכודת למדידת מעברי ספין אנטי פרוטונים בדיוק הגבוה ביותר. קרדיט: BASE-Collaboration / Barbara Maria Latacz
הכנת אנטי-פרוטונים בודדים למדידות באופן המאפשר להגיע לרמות דיוק כאלה היא משימה ניסויית שגוזלת זמן רב. שיתוף הפעולה של BASE עשה כעת צעד מכריע קדימה בהקשר זה.
ד"ר ברברה מריה לטאץ' מ-CERN והמחברת הראשית של המחקר שפורסם כעת כ"הצעת עורך" ב-Physical Review Letters, אומרת: "אנחנו צריכים אנטי-פרוטונים עם טמפרטורה מקסימלית של 200 mK, כלומר חלקיקים קרים במיוחד. זוהי הדרך היחידה להבדיל בין מצבי ספין קוונטיים שונים. בטכניקות קודמות, לקח 15 שעות לקרר אנטי-פרוטונים, שהשגנו ממתחם המאיץ של CERN, לטמפרטורה זו. שיטת הקירור החדשה שלנו מקצרת פרק זמן זה לשמונה דקות".
החוקרים השיגו זאת על ידי שילוב של שתי מלכודות שנקראות Penning למכשיר אחד, "מלכודת כפולה לקירור הדמון של מקסוול". מלכודת זו מאפשרת להכין אך ורק את האנטי-פרוטונים הקרים ביותר על בסיס ממוקד ולהשתמש בהם למדידת ה-Spin-Flip שלאחר מכן; חלקיקים חמים יותר נדחים. זה מבטל את הזמן הדרוש לקירור האנטי פרוטונים החמים יותר.
זמן הקירור הקצר משמעותית נדרש כדי לקבל את סטטיסטיקת המדידה הנדרשת בפרק זמן קצר יותר באופן משמעותי, כך שניתן להפחית עוד יותר את אי הוודאות במדידה. לטאץ': "אנחנו צריכים לפחות 1,000 מחזורי מדידה בודדים. עם המלכודת החדשה שלנו, אנחנו צריכים זמן מדידה של כחודש בשביל זה – לעומת כמעט עשר שנים בטכניקה הישנה, שאי אפשר יהיה לממש בניסוי".
אולמר: "עם מלכודת BASE, כבר הצלחנו למדוד שהמומנטים המגנטיים של פרוטונים ואנטי פרוטונים שונים במקסימום. מיליארדית – אנחנו מדברים על 10-9. הצלחנו לשפר את שיעור השגיאות של זיהוי הספין ביותר מפקטור של 1,000. במסע המדידה הבא, אנו מקווים לשפר את דיוק הרגעים המגנטיים ל-10-10."
פרופסור אולמר על תוכניות לעתיד: "אנחנו רוצים לבנות מלכודת חלקיקים ניידת, שבה נוכל להשתמש כדי להעביר אנטי-פרוטונים שנוצרו ב-CERN בז'נבה למעבדה חדשה ב-HHU. זה מוגדר בצורה כזו שנוכל לקוות לשפר את דיוק המדידות לפחות בפקטור נוסף של 10".
רקע: מלכודות עבור חלקיקים בסיסיים
מלכודות יכולות לאחסן חלקיקי יסוד טעונים חשמלית בודדים, אנטי-חלקיקים שלהם, או אפילו גרעיני אטום לפרקי זמן ארוכים באמצעות שדות מגנטיים וחשמליים. תקופות אחסון של למעלה מעשר שנים אפשריות. לאחר מכן ניתן לבצע מדידות חלקיקים ממוקדות במלכודות.
ישנם שני סוגים בסיסיים של בנייה: מה שנקרא מלכודות פול (שפותחו על ידי הפיזיקאי הגרמני וולפגנג פול בשנות ה-50) משתמשות בשדות חשמליים מתחלפים כדי להחזיק חלקיקים. "מלכודות Penning" שפותחו על ידי הנס G. Dehmelt משתמשות בשדה מגנטי הומוגני ובשדה מרובע אלקטרוסטטי. שני הפיזיקאים קיבלו את פרס נובל על פיתוחיהם ב-1989.
