Framsteg inom antiprotontransport  

Big Bang producerade lika mängder materia och antimateria som borde ha förintat varandra och lämnat efter sig ett tomt universum. Men materia överlevde och dominerar universum medan antimateria försvann. Man tror att någon okänd skillnad i grundläggande egenskaper mellan partiklar och motsvarande antipartiklar kan vara ansvarig för detta. Högprecisionsmätningar av grundläggande egenskaper hos antiprotoner har potential att berika förståelsen av materia-antimateriaasymmetri. Det kräver tillförsel av antiprotoner. För närvarande är CERNs Antiproton Decelerator (AD) den enda anläggningen där antiprotoner produceras och lagras. Det är inte möjligt att utföra högprecisionsstudier av antiprotoner nära AD på grund av magnetfältsfluktuationer som genereras av acceleratorer. Därför är det absolut nödvändigt att transportera antiprotoner från denna anläggning till andra laboratorier. För närvarande finns det ingen lämplig teknik för att göra det. BASE-STEP är ett steg framåt i denna riktning. Det är en relativt kompakt enhet utformad för att lagra och transportera antiprotoner från CERN-anläggningen till laboratorier på andra platser för högprecisionsstudier av antimateria. Den 24 oktober 2024 genomförde BASE-STEP en framgångsrik teknikdemonstration med fångade protoner som en stand-in för antiprotoner. Den transporterade ett moln på 70 protoner lokalt i en lastbil. Detta var första instans av transport av lösa partiklar i en återanvändbar fälla och en viktig språngbräda mot skapandet av en antiprotonleveranstjänst till experiment vid andra laboratorier. Med vissa förbättringar av procedurerna planeras antiprotoner att transporteras 2025.  

I början producerade Big Bang lika mängder materia och antimateria. Båda är identiska i egenskaper, bara att de har motsatta laddningar, och deras magnetiska moment är omvända.  

Materien och antimateria borde snabbt ha förintats och lämnat efter sig ett tomt universum men det hände inte. Universum domineras nu totalt av materia medan antimateria försvann. Detta antas att det finns någon okänd skillnad mellan fundamentala partiklar och deras motsvarande antipartiklar, vilket kan ha lett till materias överlevnad medan antimateria eliminerades, vilket ledde till asymmetri mellan materia och antimateria.  

Enligt CPT (Charge, Parity, and Time reversal) symmetri, som är en del av standardmodellen för partikelfysik, bör partiklarnas grundläggande egenskaper vara lika och delvis motsatta de hos deras motsvarande antipartiklar. Experimentella mätningar med hög precision av skillnader i de grundläggande egenskaperna (såsom massor, laddningar, livslängder eller magnetiska moment) hos partiklar och deras motsvarande antipartiklar kan vara till hjälp för att förstå materia-antimateriaasymmetri. Detta är sammanhanget för CERNÄr Baryon Antibaryonsymmetriexperiment (BASE).   

BASE-experimentet har utformats för att undersöka protonantiprotonsymmetri genom att utföra högprecisionsmätningar av egenskaper (såsom inre magnetiskt moment) hos antiprotoner med en bråkdelprecision i storleksordningen del-per-miljard. Nästa steg är jämförelse av dessa mätningar med motsvarande värden för protoner. För det inre magnetiska momentet är hela processen baserad på mätningar av Larmor-frekvensen och cyklotronfrekvensen.     

För närvarande är CERNs Antiproton Decelerator (AD) den enda anläggningen där antiprotoner rutinmässigt produceras och lagras. Dessa antiprotoner måste studeras här vid CERN:s anläggning, men de magnetiska fältfluktuationerna som genereras av acceleratorn på platsen begränsar precisionen i mätningar av antiprotonegenskaper. Därför är det absolut nödvändigt att transportera antiprotoner som produceras vid AD till laboratorier på andra platser. Men antimateria är inte lätt att hantera eftersom de snabbt förintas när de kommer i kontakt med materia. För närvarande finns det ingen lämplig teknik för att transportera antiprotoner till laboratorier på andra platser för forskare att genomföra högprecisionsstudier. BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons) är ett steg framåt i denna riktning.  

BASE-STEP är en relativt kompakt enhet utformad för att lagra och transportera antiprotoner från CERN-anläggningen till laboratorier på andra platser för högprecisionsstudier av antimateria. Det är ett delprojekt till BASE, väger ungefär ett ton och är ungefär fem gånger mindre än det ursprungliga BSE-experimentet.  

Den 24 oktober 2024 genomförde BASE-STEP en framgångsrik teknikdemonstration med fångade protoner som en stand-in för antiprotoner. Den transporterade ett moln på 70 protoner lokalt i en lastbil. Detta var första instans av transport av lösa partiklar i en återanvändbar fälla och en viktig språngbräda mot skapandet av en antiprotonleveranstjänst till experiment vid andra laboratorier. Med viss förfining av procedurerna planeras transport av antiprotoner 2025.  

PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) är ett annat experiment av liknande karaktär men som syftar till ett annat mål. Liksom BASE-STEP, involverar PUMA också förberedelse av en transportabel fälla för att flytta antiprotoner från CERNs Antiproton Decelerator (AD) hall till dess ISOLDE-anläggning för användning i studier av exotiska kärnfysikfenomen.  

*** 

Referenser:  

1. CERN. Nyheter – BASE-experimentet tar ett stort steg mot bärbar antimateria. Upplagt 25 oktober 2024. Finns på https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter  

2. CERN. Teknisk designrapport för BASE-STEP.  https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf 

3. Smorra C., et al 2023. BASSTEG: En transportabel antiprotonreservoar för fundamentala interaktionsstudier. Rev. Sci. Instrument. 94, 113201. 16 november 2023. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155492 

4. Aumann, T., Bartmann, W., Boine-Frankenheim, O. et al. PUMA, antiProton instabil materia förintelse. Eur. Phys. J.A. 58, 88 (2022). DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x 

*** 

Relaterade artiklar 

• Varför "Materia" dominerar universum och inte "Antimateria"? I Quest of Why Universe Exists (18 April 2020) 

• Avslöjar mysteriet med materia-antimateria-asymmetri i universum med neutrino-oscillationsexperiment (1 maj 2020)  

• Partikelkolliderare för studie av "Mycket tidigt universum": Muonkolliderare demonstrerad (31 oktober 2024)  

***