پیشرفت بزرگ در سرما کردن ضد پروتون‌ها؛ گامی به سوی حل راز عدم اعتدال کیهان

تیم پژوهشگران موسسه ریکن (RIKEN) نه با همکاری آزمایشگاه بیس (BASE) در سیرن (CERN) موفق به توسعه یک سیستم پیشرفته سرما کردن شده‌اند که دما‌های ضد پروتون‌های معلق را به شدت کاهش می‌دهد. این پیشرفت دقت اندازه‌گیری ویژگی‌های بنیادی ضد ماده را به شدت بالا برده و امید‌ها را برای کشف علت غلبه ماده بر ضد ماده در کیهان تقویت کرده است.

چالش اصلی فیزیک غلبه ماده بر ضد ماده

پروتون‌ها سازنده اصلی ماده قابل مشاهده در کیهان هستند؛ برای مثال یک تکه یخ معمولی حاوی چندین سپتیلیون پروتون است. در مقابل، ضد پروتون‌ها که جرم مشابه‌ی دارند اما بار الک‌تریکی مخالف، به ندرت در طبیعت یافت می‌شوند. این ناهمگونی عظیم یکی از بزرگ‌ترین معما‌های فیزیک مدرن محسوب می‌شود، چرا که مدل‌های استاندارد پیش‌بینی می‌کنند مقادیر برابر از ماده و ضد ماده در مراحل اولیه کیهان تولید شده باشند.

راه‌حل آزمایشی اندازه‌گیری دقیق‌تر ویژگی‌های ضد ماده

فیزیک‌دانان تلاش می‌کنند با اندازه‌گیری ویژگی‌های جفت‌های ماده و ضد ماده در بالا‌ترین دقت ممکن، کوچک‌ترین تفاوت احتمالی را رصد کنند که می‌تواند توضیح دهد چرا ضد ماده در طول زمان کیهانی به تدریج کاهش یافته است. آزمایشگاه بیس که در شتاب‌دهنده ضد پروتون سیرن واقع در مرز فرا‌نسه و سوئیس قرار دارد، تنها منبع فعال ضد پروتون‌های سرد در جهان است. تا پیش از این پیشرفت، هیچ ناهماهنگی‌ای بین پروتون و ضد پروتون در حد دقت دستگاه‌های آزمایشی مشاهده نشده بود.

نوآوری در تکنیک سرما کردن و معلق کردن ذرات

استفان اولمر، سرپرست تیم تحقیقات بنیادی تقارن در ریکن و پیشگام آزمایش بیس، توضیح داد که سیستم جدید از چهار تله پنینگ استفاده می‌کند که ذرات باردار را با ترکیب می‌دان‌های مغناطیسی و الک‌تریکی ثابت معلق می‌سازند. این تله‌ها امکان رصد ذرات منفرد برای سال‌ها را فراهم می‌آورند که منجر به دقت غیر‌معمولی در اندازه‌گیری‌ها می‌شود. دما عامل تعیین‌کننده است هرچه ضد پروتون سرد‌تر باشد، دامنه نوسان آن کمتر شده و حساسیت به نویز‌های محیطی کاهش می‌یابد.

سیستم سرما کردن مقاومتی جدید و افزایش نرخ داده

تیم اولمر یک سیستم سرما کردن مقاومتی پیچیده طراحی کرده که از یک بطری مغناطیسی برای انتخاب کارآمد ذرات فوق‌سرد استفاده می‌کند. این سیستم شامل چندین آشکارساز فوق‌حساس ابررسانا و تجهیزات جانبی است که ضد پروتون‌ها را بدون گرم شدن بین دو تله جابجا می‌کند. این فناوری نرخ نمونه‌برداری داده‌ها را به شدت افزایش داده، که به نوبه خود دقت اندازه‌گیری ثابت‌های بنیادی را بهبود بخشیده و احتمال رصد تفاوت‌های ریز بین پروتون و ضد پروتون را چندان کرده است.