Sympatyczne chłodzenie pojedynczego protonu

Możliwość uwięzienia cząstek i schłodzenia ich do temperatur bliskich zeru absolutnemu jest niezbędna do przeprowadzenia wielu badań fizycznych, w tym do badania problemu asymetrii pomiędzy materią a antymaterią. Naukowcy pracujący przy eksperymencie BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) w CERN-ie poinformowali o pierwszym udanym schłodzeniu pojedynczego protonu za pomocą techniki chłodzenia sympatycznego.

Wszechświat powinien składać się z równej ilości materii i antymaterii. Jednak tak nie jest. Jednym z obiecujących sposobów na rozwiązanie tej zagadki jest badanie momentów magnetycznych protonu i antyprotonu. Tym właśnie zajmują się uczeni z BASE.

Specjaliści wykorzystują w tym celu bardzo zaawansowane urządzenie zwane pułapką Penninga. Jest ona w stanie przechwycić i utrzymać pojedynczą cząstkę, którą dzięki temu można badać. Dotychczas zespołowi BASE udało się zwiększyć precyzję pomiarów momentu magnetycznego protonu 30-krotnie, a w przypadku antyprotonu udoskonalono pomiar aż o trzy rzędy wielkości. Dzięki temu można testować symetrię materii i antymaterii z dokładnością do 1,5 części na miliard. Tym samym wykazali, że wartość momentów magnetycznych protonu i antyprotonu jest taka sama w przedziale dziewięciu cyfr znaczących.

Problem z tak precyzyjnymi pomiarami polega na tym, że aby ich dokonać, musimy utrzymać cząstki w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu (-273,15 stopnia Celsjusza). Podczas swoich ostatnich prac uczeni z BASE wykorzystali schłodzoną laserem chmurę jonów berylu do schłodzenia protonu. Laserowego chłodzenia nie można użyć bezpośrednio na cząstkach subatomowych. Można natomiast, jak się okazuje, użyć chłodzenia sympatycznego do obniżenia temperatury protonów za pomocą schłodzonych jonów berylu.

Specjaliści z BASE pod kierunkiem Stefana Ulmera z japońskiego RIKEN przeprowadzili swój eksperyment w laboratorium Uniwersytetu w Moguncji. Wykorzystali w tym celu dwie pułapki jonowe Penninga, oddalone od siebie o 9 centymetrów. Pułapki były połączone za pomocą kriogenicznego obwodu rezonansowego (LC). W jednej znajdował się pojedynczy proton, a w drugiej chmura jonów berylu schłodzonych za pomocą lasera. Częstotliwość pracy obwodu LC zostaładobrana tak, by możliwy był transfer energii od protonu do jonów.

Uczeni dowiedli, że są w stanie obniżyć temperaturę protonu o 85%, do poziomu 17 kelwinów, a następnie obniżyli ją do 2,5 kelwina. Twierdzą, że w przyszłości, odpowiednio dobierając parametry swojego eksperymentu, w tym geometrię pułapek, będą w stanie w ciągu sekund obniżyć temperaturę protonu do dziesiątków milikelwinów. Dotychczas chłodzenie antyprotonów do 100 mK trwało około 10 godzin.

Dzięki uzyskaniu jeszcze niższych temperatur możliwe będą bardziej precyzyjne pomiary symetrii pomiędzy materią a antymaterią. Nie wiadomo jednak, jak bardzo precyzyjne byłyby to pomiary.

Już pojawiły się głosy, że technika ta może być przydatna do chłodzenia na dowolną odległość każdej cząstki posiadającej ładunek elektryczny, a być może nawet do wymiany bitów kwantowych informacji w sposób bardziej efektywny niż za pomocą światła.

chłodzenie sympatyczne proton pułapka Penninga