Прогресс в транспортировке антипротонов  

Большой взрыв произвел равные количества материи и антиматерии, которые должны были аннигилировать друг с другом, оставив после себя пустую вселенную. Однако материя выжила и доминирует во вселенной, в то время как антиматерия исчезла. Считается, что за это может быть ответственно некое неизвестное различие в основных свойствах между частицами и соответствующими античастицами. Высокоточные измерения фундаментальных свойств антипротонов имеют потенциал для обогащения понимания асимметрии материи-антиматерии. Для этого требуется поставка антипротонов. В настоящее время антипротонный замедлитель (AD) ЦЕРНа является единственным объектом, где производятся и хранятся антипротоны. Невозможно проводить высокоточные исследования антипротонов вблизи AD из-за флуктуаций магнитного поля, создаваемых ускорителями. Следовательно, транспортировка антипротонов из этого объекта в другие лаборатории является императивом. В настоящее время для этого нет подходящей технологии. BASE-STEP является шагом вперед в этом направлении. Это относительно компактное устройство, предназначенное для хранения и транспортировки антипротонов из объекта ЦЕРНа в лаборатории в других местах для высокоточных исследований антиматерии. 24 октября 2024 года BASE-STEP провела успешную демонстрацию технологии, используя захваченные протоны в качестве замены антипротонов. Она перевезла облако из 70 протонов локально в грузовике. Это был первый случай транспортировки свободных частиц в многоразовой ловушке и важный шаг на пути к созданию службы доставки антипротонов для экспериментов в других лабораториях. С некоторыми усовершенствованиями в процедурах антипротоны планируется транспортировать в 2025 году.  

В начале Большой взрыв произвел равное количество материи и антиматерии. Обе идентичны по свойствам, только имеют противоположные заряды и их магнитные моменты обратны.  

Материя и антиматерия должны были быстро аннигилировать, оставив после себя пустую вселенную, однако этого не произошло. Теперь во вселенной полностью доминирует материя, а антиматерия исчезла. Считается, что существует некое неизвестное различие между фундаментальными частицами и соответствующими им античастицами, которое могло привести к выживанию материи, в то время как антиматерия была устранена, что привело к асимметрии материя-антиматерия.  

Согласно симметрии CPT (Charge, Parity, and Time reversal), которая является частью Стандартной модели физики элементарных частиц, основные свойства частиц должны быть равны и частично противоположны свойствам соответствующих им античастиц. Высокоточные экспериментальные измерения различий в основных свойствах (таких как массы, заряды, времена жизни или магнитные моменты) частиц и соответствующих им античастиц могут помочь в понимании асимметрии материя-антиматерия. Это контекст CERNАвтора Барионная Эксперимент по симметрии антибарионов (BASE).   

Эксперимент BASE был разработан для исследования симметрии протон-антипротон путем проведения высокоточных измерений свойств (таких как собственный магнитный момент) антипротонов с дробной точностью порядка миллиардной доли. Следующий шаг — сравнение этих измерений с соответствующими значениями для протонов. Для собственного магнитного момента весь процесс основан на измерениях частоты Лармора и циклотронной частоты.     

В настоящее время антипротонный замедлитель (AD) ЦЕРНа является единственным объектом, где антипротоны регулярно производятся и хранятся. Эти антипротоны необходимо изучать здесь, на объекте ЦЕРНа, однако флуктуации магнитного поля, создаваемые ускорителем на месте, ограничивают точность измерений свойств антипротонов. Следовательно, необходимо транспортировать антипротоны, произведенные в AD, в лаборатории в других местах. Но с антиматерией нелегко иметь дело, поскольку они быстро аннигилируют при контакте с материей. В настоящее время не существует подходящей технологии для транспортировки антипротонов в лаборатории в других местах, чтобы исследователи могли проводить высокоточные исследования. BASE-STEP (испытания симметрии в экспериментах с портативными антипротонами) является шагом вперед в этом направлении.  

BASE-STEP — это относительно компактное устройство, предназначенное для хранения и транспортировки антипротонов из ЦЕРНа в лаборатории в других местах для высокоточных исследований антиматерии. Это подпроект BASE, весит около тонны и примерно в пять раз меньше оригинального эксперимента BSE.  

24 октября 2024 года BASE-STEP провела успешную демонстрацию технологии, используя захваченные протоны в качестве замены антипротонов. Она перевезла облако из 70 протонов локально в грузовике. Это был первый случай транспортировки свободных частиц в многоразовой ловушке и важный шаг на пути к созданию службы доставки антипротонов для экспериментов в других лабораториях. С некоторыми усовершенствованиями процедур транспортировка антипротонов запланирована на 2025 год.  

PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) — еще один эксперимент схожего характера, но направленный на другую цель. Как и BASE-STEP, PUMA также включает подготовку транспортируемой ловушки для перемещения антипротонов из зала антипротонного замедлителя (AD) ЦЕРНа в его установку ISOLDE для использования в изучении экзотических явлений ядерной физики.  

Ссылки:  

1. CERN. Новости – Эксперимент BASE делает большой шаг к портативной антиматерии. Опубликовано 25 октября 2024 г. Доступно на https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter  

2. ЦЕРН. Технический отчет по проекту BASE-STEP.  https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf 

3. Smorra C., et al 2023. BASE-STEP: переносимый резервуар антипротонов для фундаментальных исследований взаимодействия. Rev. Sci. Instrum. 94, 113201. 16 ноября 2023 г. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155492 

4. Ауманн Т., Бартманн В., Бойн-Франкенхайм О. и др. ПУМА, аннигиляция нестабильной материи антипротона. Евро. Физ. J. A 58, 88 (2022). ДОИ: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x 

Статьи по теме 

• Почему во Вселенной доминирует «Материя», а не «Антивещество»? В поисках причины существования Вселенной (18 Апрель 2020) 

• Раскрытие тайны асимметрии материи и антивещества Вселенной с помощью экспериментов с нейтринными колебаниями (1 мая 2020)  

• Коллайдеры частиц для изучения «Очень ранней Вселенной»: продемонстрирован мюонный коллайдер (31, октябрь 2024)