„Capcana” Penning. credit: cern.ch
Studiul antimateriei ne ajută să înţelegem ce s-a întâmplat imediat după Big Bang şi, poate, să rezolvăm misterul dispariţiei antimateriei din univers. Antiprotonii, antimateria protonilor, sunt generaţi la CERN (Geneva) şi studiaţi în diverse experimente. Recent a fost propusă ideea creării unei capcane de antiprotoni transportabile – care să permită cercetătorilor să studieze antiprotonii şi în laboratoare mai îndepărtate de locul unde sunt produşi, astfel încât să obţină rezultate mult mai precise.
Dacă la începutul universului, imediat după Big Bang, materia şi antimateria erau în cantităţi egale, unde a dispărut antimateria? Aceasta este una dintre întrebările cele mai interesante în fizică la ora actuală, la care se încearcă să se dea un răspuns studiind legile fizicii valabile în lumea materiei şi cele valabile în lumea antimateriei. De-a lungul anilor s-a demonstrat că – cel puţin pentru anumite particule – există mici diferenţe între ceea ce se întâmplă cu particulele şi cu antiparticulele. Totuşi, aceasta asimetrie nu e suficientă pentru a explica dispariţia totală a antimateriei – sau, mai bine zis, cum de a rămas aşa o mare cantitate de materie şi aceasta nu s-a anihilat cu antimateria în primele clipe de viaţă ale universului.
Din acest motiv în cadrul mai multor experimente se încearcă să se descopere noi asimetrii pentru particule pentru care încă nu au fost descoperite diferenţe faţă de comportamentul antiparticulelor.
Printre aceste particule se numără şi protonul – antiparticula acestuia, antiprotonul, având aceeaşi masă, însă sarcina electrică negativă.
Antiprotonul este studiat ori de unul singur, ori sub forma anti-hidrogenului, adică într-un atom de antimaterie care pe lângă anti-proton conţine şi un anti-electron (pozitron).
Printre laboratoarele unde se efectuează acest tip de studii se numără la loc de cinste CERN, Geneva, unde la CERN AD (The Antiproton Decelerator) sunt produşi antiprotoni care sunt utilizaţi de mai multe experimente.
Printre aceste experimente se numără şi BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), care, cu ajutorul unor capcane (Penning trap) ce folosesc câmpuri electrice şi magnetice, reuşeşte să acumuleze mulţi antiprotoni pentru a le studia proprietăţile.
BASE studiază proprietăţi precum momentul magnetic al antiprotonilor, pentru a le compara cu cele ale protonilor şi vedea dacă există diferenţe. Pentru a calcula acest moment magnetic, BASE măsoară două frecvenţe: frecvenţa de ciclotron, care descrie oscilaţia particulelor cu sarcină electrică într-un câmp magnetic, şi frecvenţa Larmor, care descrie mişcarea de precesie în câmpul magnetic al capcanei, legată de spinul (o proprietate cuantică asemănătoare cumva cu rotaţia în jurul propriei axe) particulei.
BASE a realizat deja măsurători precise ale acestor frecvențe, însă există o limită în precizia măsurătorilor, legată de perturbări externe ale câmpului magnetic.
Acest lucru este datorat faptului că lucrând în interiorul acceleratorului CERN AD, acolo sunt prezente multe cabluri, multe elemente magnetice – care nu pot fi izolate perfect.
Din acest motiv cercetătorii au propus construirea unei capcane cu care să poată transporta antiprotonii într-un laborator mai liniştit din punct de vedere magnetic. Practic, ideea este de a injecta şi conserva antiprotonii într-o capcană menţinută la temperatura heliului lichid într-un câmp magnetic, care să reziste câteva ore fără pierderi de antiprotoni.
Reamintim că antiprotonii când ajung în contact cu materia – deci cu pereţii capcanei – se pierd, întrucât se anihilează cu protonii din materialele capcanei.
Experimentul ar putea fi în acest caz realizat într-un laborator cu perturbări mult mai mici asupra câmpului magnetic, deci cu o precizie mult mai bună.
Capcana BASE-STEP ar avea dimensiuni de 1,9 metri lungime, 0,8 metri lăţime şi o înălţime de circa 1,6 metri, cântărind aproape 1000 kg. Este un sistem compact, care poate fi urcat într-un camion şi transportat într-un laborator unde se pot realiza măsurători de mare precizie.
Aceste măsurători ar putea evidenţia (sau nu) diferenţe de comportament între materie şi antimaterie, contribuind la descifrarea unuia dintre cele mai mari mistere ale universului: dispariţia fără urmă a antimateriei!
