Nuova strada dal CERN per il confronto materia-antimateria

A Ginevra l’équipe di BASE ha effettuato la misurazione differenziale più precisa di sempre della carica e della massa di protoni e antiprotoni

Analizzando le misurazione di protoni e antiprotoni prese nel corso di un anno e mezzo di lavoro alla “fabbrica di antimateria” del CERN, un impianto unico per la produzione e l’analisi del complesso dei sistemi costituiti da una o più antiparticelle, il team di The Baryon Antibaryon Symmetry Experiment ha misurato i rapporti carica elettrica/massa del protone e dell’antiprotone con una precisione record.
A Ginevra i risultati hanno rilevato che questi sono identici entro un’incertezza sperimentale di 16 parti per trilione.
“Questo risultato rappresenta il più preciso test diretto di una simmetria fondamentale tra materia e antimateria, eseguito con particelle composte da tre quark, note come barioni, e dalle loro antiparticelle”, dice il portavoce di BASE Stefan Ulmer.
Secondo il Modello Standard, che rappresenta la migliore teoria attuale dei fisici sulle particelle e le loro interazioni, gli elementi di materia e antimateria possono differire, per esempio nel modo in cui si trasformano in altre particelle, ma la maggior parte delle loro proprietà, comprese le loro masse, dovrebbero essere identiche.
Trovare una piccola differenza tra le masse dei protoni e degli antiprotoni, o tra i rapporti della loro carica elettrica e della loro massa, romperebbe una simmetria fondamentale del Modello Standard, chiamata “Simmetria CPT”, e indicherebbe nuovi fenomeni fisici oltre il Modello.
La “Simmetria CPT” è la simmetria fondamentale delle leggi fisiche sotto trasformazioni che comportano le inversioni simultanee di carica, parità e tempo.

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Perché l’universo è composto quasi interamente di materia?

Tale differenza potrebbe anche far luce sul perché l’universo sia composto quasi interamente di materia, anche se nel Big Bang si sarebbero dovute creare quantità uguali di antimateria.
Le differenze tra le particelle di materia e antimateria che sono coerenti con il Modello Standard sono più piccole di ordini di grandezza tali da poter spiegare questo squilibrio cosmico, osservato sperimentalmente dall’uomo da secoli.
Per effettuare queste misure di protoni e antiprotoni, la collaborazione di The Baryon Antibaryon Symmetry Experiment  ha confinato gli antiprotoni e gli ioni di idrogeno negativi, che sono le particelle negative che sostituiscono i protoni in questo esperimento, in una trappola per particelle ad alte prestazioni chiamata Trappola di Penning.

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Dicembre 2017-maggio 2019: 24.000 confronti di frequenza

In questo dispositivo, una particella segue una traiettoria ciclica con una frequenza, vicina alla frequenza del ciclotrone, che varia con l’intensità del campo magnetico della trappola e il rapporto carica/massa della particella.
Alimentando alternativamente antiprotoni e ioni di idrogeno caricati negativamente uno alla volta nella “trap”, il team di BASE ha misurato, nelle stesse condizioni, le frequenze di ciclotrone di questi due tipi di particelle, permettendo di confrontare i loro rapporti carica-massa.
Eseguite in quattro campagne di esperimenti tra dicembre 2017 e maggio 2019, queste misure hanno portato a più di 24.000 confronti di frequenza di ciclotrone, ciascuno della durata di 260 secondi, tra i rapporti carica-massa degli antiprotoni e degli ioni di idrogeno caricati negativamente.

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Rapporti carica-massa uguali nel limite di 16 parti per trilione

Da questi confronti, e dopo aver tenuto conto della differenza tra un protone e uno ione di idrogeno caricato negativamente, i ricercatori di BASE hanno scoperto che i rapporti carica-massa di protoni e antiprotoni sono uguali entro 16 parti per trilione.
“Questo risultato è quattro volte più preciso del precedente miglior confronto tra questi rapporti, e il rapporto carica-massa è ora la proprietà più precisamente misurata dell’antiprotone”, dice Stefan Ulmer.
“Per raggiungere questa precisione, abbiamo apportato notevoli aggiornamenti all’esperimento e abbiamo effettuato le misurazioni quando la fabbrica di antimateria era chiusa, utilizzando il nostro serbatoio di antiprotoni, che può immagazzinare antiprotoni per anni”.
Effettuare misure di frequenza del ciclotrone quando la fabbrica di antimateria non è in funzione è l’ideale, perché le misure non sono influenzate da disturbi al campo magnetico dell’esperimento.
Oltre a confrontare protoni e antiprotoni con una precisione senza precedenti, il team di BASE ha usato le proprie misurazioni per porre limiti rigorosi ai modelli oltre il Modello Standard che violano la “Simmetria CPT”, così come per testare una legge fisica fondamentale nota come Principio di Equivalenza Debole.
Secondo questo principio, corpi diversi nello stesso campo gravitazionale subiscono la stessa accelerazione in assenza di forze di attrito.

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La verifica nel campo gravitazionale sulla superficie terrestre

Poiché l’esperimento BASE è posto sulla superficie della Terra, le sue misure di frequenza del ciclotrone di protoni e antiprotoni sono state effettuate nel campo gravitazionale sulla superficie terrestre.
Qualsiasi differenza tra l’interazione gravitazionale di protoni e antiprotoni si tradurrebbe in una differenza tra le frequenze di ciclotrone di protoni e antiprotoni.
Campionando il campo gravitazionale variabile della Terra mentre il pianeta orbita intorno al Sole, gli scienziati di BASE non hanno trovato tale differenza e hanno fissato un valore massimo su questa misura differenziale di tre parti su 100.
“Questo limite è paragonabile agli obiettivi di precisione iniziali degli esperimenti che mirano a far cadere l’anti-idrogeno nel campo gravitazionale della Terra”, seguita Ulmer.
“BASE non ha fatto cadere direttamente l’antimateria nel campo gravitazionale terrestre, ma la nostra misura dell’influenza della gravità su una particella di antimateria barionica è concettualmente molto simile, indicando nessuna interazione anomala tra antimateria e gravità al livello di incertezza raggiunto”.

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