Antymateria ujarzmiona. Nikt wcześniej tego nie dokonał
Naukowcy z CERN dokonali prawdziwego przełomu. Po raz pierwszy w historii uzyskano pełną, kontrolę nad stanem spinu pojedynczego antyprotonu.
Odkrycie może otwierać fascynujące możliwości nie tylko dla testów symetrii materia-antymateria, lecz także dla wykorzystania antymaterii w obszarze informacji kwantowej.
Fundamentem ma być kontrola spinu antyprotonu
W ramach eksperymentu BASE, realizowanego w ośrodku antymaterii AD/ELENA na terenie CERN, po raz pierwszy przeprowadzono koherentną spektroskopię spinu pojedynczego antyprotonu. Umożliwiło to obserwowanie oscylacji Rabiego, które są istotne dla zrozumienia zachowania spinu jako nośnika informacji kwantowej. Osiągnięto przy tym imponujący czas koherencji wynoszący około 50 sek. To technologiczne i teoretyczne podstawy do stworzenia kubitu zbudowanego z antymaterii.
Chociaż w artykule opublikowanym na łamach Nature nie pada bezpośrednio słowo kubit, uzyskana precyzja w sterowaniu i odczytywaniu spinu antyprotonu pozwala na stworzenie bezpośredniej analogii do znanych już kubitów, jakie tworzy się z wykorzystaniem elektronów czy protonów w komputerach kwantowych.
Jak przeprowadzono ten przełomowy eksperyment?
W eksperymencie wykorzystano pojedynczy antyproton, który przetrzymywano w kriogenicznym systemie pułapek Penninga. Zastosowano konfigurację two-particles/three-traps, gdzie jedna z pułapek, tzw. pułapka precyzyjna, służyła do manipulacji spinem, a druga, pułapka analizująca, pozwalała na jego precyzyjny odczyt.
Odczyt stanu spinu odbywał się dzięki zastosowaniu ciągłego efektu Sterna-Gerlacha. W jego ramach zmiana kierunku spinu powodowała zmianę częstotliwości ruchu antyprotonu wzdłuż osi, co było wykrywane z dokładnością na poziomie niemal 100 proc. Dzięki temu udało się zarejestrować oscylacje Rabiego o prawdopodobieństwie inwersji powyżej 80 proc. Szerokość linii rezonansowej zmierzono na poziomie około 156 miliherców. Stanowi to aż 16-krotną poprawę względem wcześniejszych prób.
To nowy poziom fundamentalnych testów symertii
Zastosowanie tak precyzyjnych metod otwiera nowy rozdział w badaniach nad fundamentalnymi zasadami fizyki, w tym w testowaniu symetrii CPT oraz symetrii Lorentza. Dzięki lepszej kontroli nad spinem antyprotonu możliwe będzie dokładniejsze badanie różnic pomiędzy materią i antymaterią, co może mieć fundamentalne znaczenie dla zrozumienia początków Wszechświata.
Dzięki nowej metodzie precyzja odczytu g-faktora antyprotonu może wzrosnąć nawet 25-krotnie. Inwersja spinu w eksperymencie była o 50 proc. wyższa niż dotąd, a zawężona linia rezonansowa pozwala na niespotykaną dotąd rozdzielczość w pomiarach.
Co dalej? Kolejne etapy projektu BASE
Eksperyment wciąż ograniczają pewne czynniki techniczne, takie jak dekoherencja wywoływana przez pole magnetyczne akceleratora czy konieczność przemieszczania cząstek pomiędzy pułapkami. Aby wyeliminować te przeszkody, zespół opracował mobilną wersję pułapki, nazwaną BASE‑STEP. Pozwoli ona na prowadzenie badań w bardziej stabilnym środowisku, gdzie poziom fluktuacji pola magnetycznego będzie znacznie niższy.
Naukowcy planują połączenie koherentnej spektroskopii spinu z ultradokładnymi pomiarami częstotliwości cyklotronowych. Dzięki temu chcą zredukować wpływ szumu magnetycznego przynajmniej pięciokrotnie i osiągnąć rozdzielczość rzędu 10 ppt, co oznaczałoby absolutny rekord w precyzji pomiarów.
Zobacz także:
Osiągnięcie zespołu CERN może mieć ogromne znaczenie dla astrofizyki i kosmologii. Być może przybliży naukowców do odpowiedzi na jedno z największych pytań współczesnej nauki: dlaczego nasz Wszechświat składa się niemal wyłącznie z materii, choć w teorii na początku powinno jej być tyle samo co antymaterii.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Grzegorz Czapski / Shutterstock.com
