CERN: l’esperimento BASE apre nuovi orizzonti nel confronto materia-antimateria

L’esperimento BASE (Image: CERN)

La collaborazione ha effettuato un confronto più preciso tra protoni e antiprotoni e ha testato se si comportano allo stesso modo sotto l'influenza della gravità

CERN: Press Releases

In un articolo pubblicato sulla rivista Nature, la collaborazione con il team di BASE al CERN permette un confronto più preciso tra protoni e antiprotoni, le controparti di antimateria dei protoni.

Analizzando le misurazioni di protoni e antiprotoni effettuate nell'arco di un anno e mezzo presso la fabbrica di antimateria del CERN, una struttura unica per la produzione e l'analisi dell'antimateria, il team BASE ha misurato i rapporti tra carica elettrica e massa del protone e dell'antiprotone con una precisione record. I risultati hanno scoperto che questi sono identici all'interno di un'incertezza sperimentale di 16 parti per trilione.

"Questo risultato rappresenta il test diretto più preciso di una simmetria fondamentale tra materia e antimateria, eseguita con particelle costituite da tre quark, note come barioni, e le loro antiparticelle", afferma il portavoce di BASE Stefan Ulmer.

Secondo il Modello Standard, che rappresenta la migliore teoria attuale dei fisici sulle particelle e sulle loro interazioni, le particelle di materia e antimateria possono differire, ad 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 qualsiasi leggera differenza tra le masse di protoni e antiprotoni, o tra i rapporti della loro carica elettrica e massa, romperebbe una simmetria fondamentale del Modello Standard, chiamata simmetria CPT, e indicherebbe nuovi fenomeni fisici oltre il Modello.

Una tale differenza potrebbe anche far luce sul motivo per cui l'universo è costituito quasi interamente da 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 in ordine di grandezza per poter spiegare questo squilibrio cosmico osservato.

Per effettuare le misurazioni di protoni e antiprotoni, il team BASE ha confinato antiprotoni e ioni idrogeno caricati negativamente, che sono proxy caricati negativamente per i protoni, in una trappola di particelle all'avanguardia chiamata trappola di Penning. In questo dispositivo, una particella segue una traiettoria ciclica con una frequenza, vicina alla frequenza del ciclotrone, che scala con l'intensità del campo magnetico della trappola e il rapporto carica-massa della particella.

Una foto del rack nella zona di BASE (Image: CERN)

Alimentando alternativamente antiprotoni e ioni di idrogeno caricati negativamente uno alla volta nella trappola, il team BASE ha misurato, nelle stesse condizioni, le frequenze del ciclotrone di questi due tipi di particelle, consentendo di confrontare i loro rapporti carica-massa.

Eseguite in quattro campagne tra dicembre 2017 e maggio 2019, queste misurazioni hanno prodotto più di 24000 confronti di frequenza di ciclotrone, ciascuno della durata di 260 secondi, tra i rapporti carica-massa degli antiprotoni e gli ioni di idrogeno caricati negativamente. Da questi confronti, e dopo aver tenuto conto della differenza tra un protone e uno ione idrogeno caricato negativamente, i ricercatori BASE hanno scoperto che i rapporti carica-massa di protoni e antiprotoni sono pari a 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 misurata con maggiore precisione dell'antiprotone" dice Stefan Ulmer. "Per raggiungere questa precisione, abbiamo apportato notevoli miglioramenti all'esperimento e effettuato le misurazioni quando la fabbrica di antimateria è stata chiusa, utilizzando il nostro serbatoio di antiprotoni, che può immagazzinare antiprotoni per anni". Effettuare misurazioni della frequenza del ciclotrone quando la fabbrica di antimateria non è in funzione è l'ideale, perché le misurazioni non sono influenzate da disturbi al campo magnetico dell'esperimento.

Oltre a confrontare protoni e antiprotoni con una precisione senza precedenti, il team BASE ha utilizzato le proprie misurazioni per porre limiti rigorosi ai modelli oltre il modello standard che violano la simmetria CPT, nonché 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. Poiché l'esperimento BASE è posizionato sulla superficie della Terra, le sue misurazioni della 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 comporterebbe una differenza tra le frequenze del ciclotrone protone e antiprotone.

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 misurazione 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 terrestre", afferma Ulmer. "BASE non ha fatto cadere direttamente l'antimateria nel campo gravitazionale terrestre, ma la nostra misurazione 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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