Il Big Bang ha prodotto quantità uguali di materia e antimateria che avrebbero dovuto annientarsi a vicenda lasciando dietro di sé un universo vuoto. Tuttavia, la materia è sopravvissuta e domina l'universo mentre l'antimateria è scomparsa. Si pensa che una differenza sconosciuta nelle proprietà di base tra particelle e antiparticelle corrispondenti possa essere responsabile di ciò. Le misurazioni ad alta precisione delle proprietà fondamentali degli antiprotoni hanno il potenziale per arricchire la comprensione dell'asimmetria materia-antimateria. Richiede la fornitura di antiprotoni. Attualmente, l'Antiproton Decelerator (AD) del CERN è l'unica struttura in cui vengono prodotti e immagazzinati gli antiprotoni. Non è possibile condurre studi ad alta precisione sugli antiprotoni vicino all'AD a causa delle fluttuazioni del campo magnetico generate dagli acceleratori. Quindi, trasportare gli antiprotoni da questa struttura ad altri laboratori è un imperativo. Al momento, non esiste una tecnologia adatta per farlo. BASE-STEP è un passo avanti in questa direzione. È un dispositivo relativamente compatto progettato per immagazzinare e trasportare gli antiprotoni dalla struttura del CERN ai laboratori in altre sedi per studi ad alta precisione sull'antimateria. Il 24 ottobre 2024, BASE-STEP ha condotto una dimostrazione tecnologica di successo utilizzando protoni intrappolati come sostituti degli antiprotoni. Ha trasportato una nuvola di 70 protoni localmente in un camion. Questo è stato il primo esempio di trasporto di particelle libere in una trappola riutilizzabile e un importante trampolino di lancio verso la creazione di un servizio di consegna di antiprotoni per esperimenti in altri laboratori. Con alcuni perfezionamenti nelle procedure, si prevede che gli antiprotoni saranno trasportati nel 2025.
All'inizio, il Big Bang ha prodotto uguali quantità di materia e antimateria. Entrambe hanno proprietà identiche, solo che hanno cariche opposte e i loro momenti magnetici sono invertiti.
La materia e l'antimateria avrebbero dovuto annientarsi rapidamente lasciando dietro di sé un universo vuoto, tuttavia ciò non è accaduto. L'universo ora è totalmente dominato dalla materia mentre l'antimateria è scomparsa. Si pensa che ci sia una differenza sconosciuta tra le particelle fondamentali e le loro corrispondenti antiparticelle che potrebbe aver portato alla sopravvivenza della materia mentre l'antimateria è stata eliminata, portando all'asimmetria materia-antimateria.
Secondo la simmetria CPT (Charge, Parity, and Time reversal), che fa parte del Modello Standard della fisica delle particelle, le proprietà di base delle particelle dovrebbero essere uguali e in parte opposte a quelle delle loro corrispondenti antiparticelle. Misurazioni sperimentali ad alta precisione delle differenze nelle proprietà di base (come masse, cariche, tempi di vita o momenti magnetici) delle particelle e delle loro corrispondenti antiparticelle possono essere di aiuto per comprendere l'asimmetria materia-antimateria. Questo è il contesto di CERN'S barione Esperimento di simmetria antibarionica (BASE).
L'esperimento BASE è stato progettato per studiare la simmetria protone-antiprotone eseguendo misurazioni ad alta precisione delle proprietà (come il momento magnetico intrinseco) degli antiprotoni con una precisione frazionaria nell'ordine di parte per miliardo. Il passo successivo è il confronto di queste misurazioni con i valori corrispondenti per i protoni. Per il momento magnetico intrinseco, l'intero processo si basa su misurazioni della frequenza di Larmor e della frequenza del ciclotrone.
Attualmente, l'Antiproton Decelerator (AD) del CERN è l'unica struttura in cui gli antiprotoni vengono prodotti e conservati di routine. Questi antiprotoni devono essere studiati qui presso la struttura del CERN, tuttavia le fluttuazioni del campo magnetico generate dall'acceleratore nel sito limitano la precisione delle misurazioni delle proprietà degli antiprotoni. Da qui l'imperativo di trasportare gli antiprotoni prodotti presso l'AD in laboratori in altre sedi. Ma l'antimateria non è facile da gestire poiché si annichila rapidamente entrando in contatto con la materia. Attualmente, non esiste una tecnologia adatta per trasportare gli antiprotoni in laboratori in altre sedi affinché i ricercatori possano condurre studi ad alta precisione. BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons) è un passo avanti in questa direzione.
BASE-STEP è un dispositivo relativamente compatto progettato per immagazzinare e trasportare antiprotoni dalla struttura del CERN ai laboratori in altre sedi per studi ad alta precisione sull'antimateria. È un sottoprogetto di BASE, pesa circa una tonnellata ed è circa cinque volte più piccolo dell'esperimento BSE originale.
Il 24 ottobre 2024, BASE-STEP ha condotto una dimostrazione tecnologica di successo utilizzando protoni intrappolati come sostituti degli antiprotoni. Ha trasportato una nuvola di 70 protoni localmente in un camion. Questo è stato il primo esempio di trasporto di particelle libere in una trappola riutilizzabile e un importante trampolino di lancio verso la creazione di un servizio di consegna di antiprotoni per esperimenti in altri laboratori. Con un certo perfezionamento delle procedure, il trasporto di antiprotoni è previsto per il 2025.
PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) è un altro esperimento di natura simile, ma mirato a un obiettivo diverso. Come BASE-STEP, PUMA prevede anche la preparazione di una trappola trasportabile per spostare gli antiprotoni dalla sala Antiproton Decelerator (AD) del CERN alla sua struttura ISOLDE per l'uso nello studio di fenomeni esotici di fisica nucleare.
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Riferimenti:
- CERN. News – L'esperimento BASE compie un grande passo verso l'antimateria portatile. Pubblicato il 25 ottobre 2024. Disponibile su https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter
- CERN. Rapporto di progettazione tecnica di BASE-STEP. https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf
- Smorra C., et al 2023. BASE-STEP: un serbatoio di antiprotoni trasportabile per studi di interazione fondamentale. Rev. Sci. Instrum. 94, 113201. 16 novembre 2023. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155492
- Aumann, T., Bartmann, W., Boine-Frankenheim, O. et al. PUMA, annichilazione della materia instabile antiProtone. Euro. Fis. J. A 58, 88 (2022). DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x
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