Il controllo quantistico dei singoli antiprotoni mette alla prova il Modello Standard / Quantum control of individual antiprotons puts the Standard Model to the test
Il controllo quantistico dei singoli antiprotoni mette alla prova il Modello Standard / Quantum control of individual antiprotons puts the Standard Model to the test
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
"Il livello di controllo raggiunto dagli autori su una singola particella di antimateria è senza precedenti", afferma Dmitry Budker, fisico dell'Università della California, Berkeley, non coinvolto nello studio. "Questo apre la strada a test molto più precisi delle simmetrie fondamentali della natura".
In teoria, l'universo avrebbe dovuto nascere con uguali quantità di materia ed antimateria. Eppure tutte le strutture visibili oggi – tra cui stelle, galassie, pianeti e persone – sono composte quasi interamente di materia. Questo squilibrio cosmico rimane uno dei più grandi interrogativi aperti della fisica ed è noto come problema dell'asimmetria barionica.
"La motivazione generale per studiare gli antiprotoni è quella di testare le simmetrie fondamentali e la nostra comprensione di esse", afferma Stefan Ulmer, membro senior di BASE e direttore dell'Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory presso il RIKEN in Giappone. "Quello che sappiamo dell'antimateria è che appare come una soluzione simmetrica alle equazioni della meccanica quantistica: non c'è una ragione ovvia per cui l'universo non dovrebbe contenere quantità uguali di materia ed antimateria".
Questo mistero può essere svelato effettuando confronti molto precisi tra le proprietà delle particelle di materia ed antimateria – in questo caso, il protone e l'antiprotone. Ad esempio, il Modello Standard afferma che protoni e antiprotoni dovrebbero avere masse identiche ma cariche elettriche uguali e opposte. Qualsiasi deviazione dalla descrizione del Modello Standard potrebbe far luce sull'asimmetria barionica.
Salto di precisione
Ora, il gruppo BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) si è concentrato sulla spettroscopia coerente, una tecnica quantistica che utilizza impulsi a microonde per manipolare gli stati di spin di un singolo antiprotone.
"Stavamo eseguendo la spettroscopia sullo spin di un singolo antiprotone intrappolato, conservato in un sistema criogenico di trappola di Penning", spiega Ulmer. "È significativo perché è di fondamentale importanza per lo studio delle proprietà fondamentali della particella".
Applicando radiazioni a microonde alla frequenza giusta, il gruppo ha indotto oscillazioni Rabi – inversioni periodiche dello spin dell'antiprotone – e ha osservato le risonanze risultanti. Il risultato chiave è stato un picco di risonanza 16 volte più stretto rispetto a qualsiasi precedente misurazione di antiprotoni, il che significa che il gruppo ha potuto individuare la frequenza di transizione con una precisione molto maggiore. Insieme ad un miglioramento di 1,5 volte del rapporto segnale/rumore, la misurazione apre la strada ad un aumento di almeno dieci volte della precisione delle misurazioni del momento magnetico dell'antiprotone. "In linea di principio, potremmo ridurre la larghezza di riga di un altro fattore dieci se venisse sviluppata ulteriore tecnologia", afferma Ulmer.
Budker ha descritto la misurazione come senza precedenti, aggiungendo: "Questa è la chiave per futuri test precisi dell'invarianza CPT e di altri esperimenti di fisica fondamentale".
Principio profondamente radicato
La simmetria CPT – l'idea che le leggi della fisica rimangano invariate se carica, parità e tempo vengono invertiti simultaneamente – è uno dei principi più radicati della fisica. Testarla con una precisione sempre maggiore è essenziale per identificare eventuali falle nel Modello Standard.
Ulmer afferma che il gruppo ha osservato tempi di coerenza dello spin dell'antiprotone fino a 50 secondi. La coerenza in questo caso si riferisce alla capacità dello stato di spin quantistico dell'antiprotone di rimanere stabile ed imperturbato nel tempo, il che è essenziale per ottenere misurazioni ad alta precisione.
Misurare i momenti magnetici delle particelle nucleari è già notoriamente difficile, ma farlo per l'antimateria sposta i limiti della fisica sperimentale.
"Queste misurazioni richiedono lo sviluppo di esperimenti che siano circa tre ordini di grandezza più sensibili di qualsiasi altro apparato sviluppato in precedenza", afferma Ulmer. "È necessario costruire i rivelatori di particelle singole più sensibili al mondo, le più piccole trappole di Penning e sovrapporre gradienti magnetici ultra-estremi".
Il gruppo BASE ha avviato lo sviluppo nel 2005 e ha ottenuto i primi successi nelle misurazioni dei protoni entro il 2011. Gli studi sugli antiprotoni sono iniziati seriamente nel 2017, ma per ottenere un controllo coerente dello spin, come nel lavoro attuale, sono state necessarie ulteriori innovazioni, tra cui campi magnetici ultra-omogenei, temperature criogeniche ed un controllo accurato del rumore.
Verso una comprensione più profonda
Questi miglioramenti potrebbero anche rendere possibili altri esperimenti. "Ciò consentirà anche misurazioni più precise di altri momenti magnetici nucleari ed aprirà la strada a misurazioni migliori nei confronti delle masse protone-antiprotone", osserva Ulmer.
Potrebbero esserci anche connessioni lontane con il calcolo quantistico. "Se i tempi di coerenza per materia e antimateria sono identici – un aspetto che intendiamo testare – allora il qubit di antimateria potrebbe avere applicazioni nell'informazione quantistica", afferma. "Ma onestamente, gestire un computer quantistico ad antimateria, se si potesse fare lo stesso con la materia, sarebbe inefficiente".
Più realisticamente, il gruppo spera di utilizzare il loro sistema di trappola trasportabile, BASE STEP, per portare gli antiprotoni in un laboratorio offline dedicato per studi a risoluzione ancora più elevata.
"La collaborazione BASE prosegue con costanza nell'aumentare la precisione dei test di simmetria fondamentale", afferma Budker. "Questo è un passo importante in quella direzione".
ENGLISH
Physicists have taken a major step toward unlocking the mysteries of antimatter by being the first to perform coherent spin spectroscopy on a single antiproton. Done by researchers on CERN’s BASE collaboration, the experiment measures the magnetic properties of antimatter with record-breaking precision. As a result, it could help us understand why there is much more matter than antimatter in the universe,
“The level of control the authors have achieved over an individual antimatter particle is unprecedented,” says Dmitry Budker, a physicist at the University of California, Berkeley, who was not involved in the study. “This opens the path to much more precise tests of fundamental symmetries of nature.”
In theory, the universe should have been born with equal amounts of matter and antimatter. Yet all the visible structures we see today – including stars, galaxies, planets and people – are made almost entirely of matter. This cosmic imbalance remains one of the biggest open questions in physics and is known as the baryon asymmetry problem.
“The general motivation for studying antiprotons is to test fundamental symmetries and our understanding of them,” says Stefan Ulmer, a senior member of BASE and head of the Ulmer Fundamental Symmetries Laboratory at RIKEN in Japan. “What we know about antimatter is that it appears as a symmetric solution to quantum mechanical equations – there’s no obvious reason why the universe should not contain equal amounts of matter and antimatter.”
This mystery can be probed by doing very precise comparisons of properties of matter and antimatter particles – in this case, the proton and the antiproton. For example, the Standard Model says that protons and antiprotons should have identical masses but equal and opposite electrical charges. Any deviations from the Standard Model description could shed light on baryon asymmetry.
Leap in precision
Now, the BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) team has focused on coherent spectroscopy, which is a quantum technique that uses microwave pulses to manipulate the spin states of a single antiproton.
“We were doing spectroscopy on the spin of a single trapped antiproton, stored in a cryogenic Penning trap system,” Ulmer explains. “It is significant because this is of highest importance in studying the fundamental properties of the particle.”
By applying microwave radiation at just the right frequency, the team induced Rabi oscillations –periodic flipping of the antiproton’s spin – and observed the resulting resonances. The key result was a resonance peak 16 times narrower than in any previous antiproton measurements, meaning the team could pinpoint the transition frequency with much greater accuracy. Combined with a 1.5-fold improvement in signal-to-noise ratio, the measurement paves the way for at least a tenfold increase in the precision of antiproton magnetic moment measurements.“In principle, we could reduce the linewidth by another factor of ten if additional technology is developed,” says Ulmer.
Budker described the measurement as unprecedented, adding, “This is a key to future precise tests of CPT invariance and other fundamental-physics experiments”.
Deeply held principle
CPT symmetry – the idea that the laws of physics remain unchanged if charge, parity, and time are simultaneously reversed – is one of the most deeply held principles in physics. Testing it to higher and higher precision is essential for identifying any cracks in the Standard Model.
Ulmer says the team observed antiproton spin coherence times of up to 50 s. Coherence here refers to the ability of the antiproton’s quantum spin state to remain stable and unperturbed over time, which is essential for achieving high-precision measurements.
Measuring magnetic moments of nuclear particles is already notoriously difficult, but doing so for antimatter pushes the limits of experimental physics.
“These measurements require the development of experiments that are about three orders of magnitude more sensitive than any other apparatus developed before,” says Ulmer. “You need to build the world’s most sensitive detectors for single particles, the smallest Penning traps, and superimpose ultra-extreme magnetic gradients.”
The BASE team started development in 2005 and had early successes in proton measurements by 2011. Antiproton studies began in earnest in 2017, but achieving coherent spin control – as in the current work – required further innovations including ultra-homogeneous magnetic fields, cryogenic temperatures, and the exquisite control of noise.
Toward a deeper understanding
These improvements could also make other experiments possible. “This will also allow more precise measurements of other nuclear magnetic moments, and paves a path to better measurements in proton–antiproton mass comparisons,” Ulmer notes.
There may even be distant connections to quantum computing. “If coherence times for matter and antimatter are identical – something we aim to test – then the antimatter qubit might have applications in quantum information,” he says. “But honestly, operating an antimatter quantum computer, if you could do the same with matter, would be inefficient.”
More realistically, the team hopes to use their transportable trap system, BASE STEP, to bring antiprotons to a dedicated offline laboratory for even higher-resolution studies.
“The BASE collaboration keeps a steady course on increasing the precision of fundamental symmetry tests,” says Budker. “This is an important step in that direction.”
The research is described in Nature.
Da:
https://physicsworld.com/a/quantum-control-of-individual-antiprotons-puts-the-standard-model-to-the-test/
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