پیشرفت در حمل و نقل آنتی پروتون

بیگ بنگ مقادیر مساوی ماده و پادماده را تولید کرد که باید یکدیگر را نابود می کردند و یک جهان خالی را پشت سر می گذاشتند. با این حال، ماده زنده ماند و بر جهان مسلط شد در حالی که ضد ماده ناپدید شد. تصور می شود که برخی از تفاوت های ناشناخته در خواص اساسی بین ذرات و پادذرات مربوطه ممکن است مسئول این باشد. اندازه‌گیری‌های با دقت بالا از ویژگی‌های اساسی پادپروتون‌ها پتانسیل غنی‌سازی درک عدم تقارن ماده-ضد ماده را دارند. نیاز به تامین آنتی پروتون دارد. در حال حاضر، کاهش دهنده ضد پروتون سرن (AD) تنها تأسیساتی است که در آن آنتی پروتون ها تولید و ذخیره می شوند. به دلیل نوسانات میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط شتاب دهنده ها، انجام مطالعات با دقت بالا در مورد آنتی پروتون ها در نزدیکی AD ممکن نیست. از این رو، انتقال آنتی پروتون ها از این مرکز به آزمایشگاه های دیگر امری ضروری است. در حال حاضر تکنولوژی مناسبی برای این کار وجود ندارد. BASE-STEP گامی رو به جلو در این مسیر است. این دستگاه نسبتا فشرده ای است که برای ذخیره و انتقال آنتی پروتون ها از تأسیسات سرن به آزمایشگاه ها در مکان های دیگر برای مطالعات دقیق پادماده طراحی شده است. در 24 اکتبر 2024، BASE-STEP یک نمایش فناوری موفق با استفاده از پروتون های به دام افتاده به عنوان پایه ای برای پادپروتون ها انجام داد. ابری متشکل از 70 پروتون را به صورت محلی در یک کامیون حمل کرد. این اولین نمونه از حمل و نقل ذرات سست در یک تله قابل استفاده مجدد و یک گام مهم برای ایجاد یک سرویس تحویل ضد پروتون به آزمایش‌ها در آزمایشگاه‌های دیگر بود. با برخی اصلاحات در روش ها، قرار است آنتی پروتون ها در سال 2025 منتقل شوند.

در آغاز، انفجار بزرگ مقادیر مساوی ماده و پادماده تولید کرد. هر دو از نظر خصوصیات یکسان هستند، فقط بارهای مخالف دارند و گشتاورهای مغناطیسی آنها معکوس است.

ماده و پادماده باید به سرعت از بین می رفتند و جهان خالی را پشت سر می گذاشتند، اما این اتفاق نیفتاد. جهان اکنون کاملاً تحت سلطه ماده است در حالی که ضد ماده ناپدید شده است. تصور می‌شود که تفاوت ناشناخته‌ای بین ذرات بنیادی و پادذره‌های متناظر آنها وجود دارد که ممکن است به بقای ماده منجر شده باشد در حالی که پادماده حذف شده و منجر به عدم تقارن ماده - ضد ماده می‌شود.

با توجه به تقارن CPT (بار، برابری و زمان معکوس)، که بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است، خواص اساسی ذرات باید برابر و تا حدی مخالف ضد ذرات مربوطه آنها باشد. اندازه‌گیری‌های تجربی با دقت بالا تفاوت‌ها در خواص اساسی (مانند جرم، بار، طول عمر یا گشتاورهای مغناطیسی) ذرات و پادذرات مربوط به آن‌ها می‌تواند در درک عدم تقارن ماده و پاد ماده کمک کند. این زمینه است CERN" بریون آزمایش تقارن ضد باریون (BASE).

آزمایش BASE برای بررسی تقارن ضد پروتون پروتون با انجام اندازه‌گیری‌های با دقت بالا خواص (مانند گشتاور مغناطیسی ذاتی) آنتی پروتون‌ها با دقت کسری به ترتیب قسمت در میلیارد طراحی شده است. مرحله بعدی مقایسه این اندازه گیری ها با مقادیر مربوط به پروتون ها است. برای گشتاور مغناطیسی ذاتی، کل فرآیند بر اساس اندازه گیری فرکانس لارمور و فرکانس سیکلوترون است.

در حال حاضر، کاهش‌دهنده ضد پروتون سرن (AD) تنها تأسیساتی است که در آن آنتی‌پروتون‌ها به طور معمول تولید و ذخیره می‌شوند. این پادپروتون‌ها باید در اینجا در مرکز سرن مورد مطالعه قرار گیرند، اما نوسانات میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط شتاب‌دهنده در محل، دقت اندازه‌گیری خواص ضد پروتون را محدود می‌کند. از این رو، انتقال آنتی پروتون های تولید شده در AD به آزمایشگاه ها در مکان های دیگر ضروری است. اما مقابله با پادماده آسان نیست زیرا آنها در تماس با ماده به سرعت از بین می روند. در حال حاضر، هیچ فناوری مناسبی برای انتقال آنتی پروتون ها به آزمایشگاه ها در مکان های دیگر وجود ندارد تا محققان بتوانند مطالعات با دقت بالا را انجام دهند. BASE-STEP (تست های تقارن در آزمایشات با آنتی پروتون های قابل حمل) گامی رو به جلو در این جهت است.

BASE-STEP یک دستگاه نسبتا فشرده است که برای ذخیره و انتقال آنتی پروتون ها از مرکز CERN به آزمایشگاه ها در مکان های دیگر برای مطالعات با دقت بالا ضد ماده طراحی شده است. این یک پروژه فرعی از BASE است، وزنی در حدود یک تن دارد و حدود پنج برابر کوچکتر از آزمایش اولیه BSE است.

در 24 اکتبر 2024، BASE-STEP یک نمایش فناوری موفق با استفاده از پروتون های به دام افتاده به عنوان پایه ای برای پادپروتون ها انجام داد. ابری متشکل از 70 پروتون را به صورت محلی در یک کامیون حمل کرد. این اولین نمونه از حمل و نقل ذرات سست در یک تله قابل استفاده مجدد و یک پله مهم برای ایجاد یک سرویس تحویل ضد پروتون به آزمایش‌ها در آزمایشگاه‌های دیگر بود. با کمی اصلاح در رویه ها، انتقال آنتی پروتون در سال 2025 برنامه ریزی شده است.

PUMA (ضد پروتون انهدام ماده ناپایدار) آزمایش دیگری با ماهیت مشابه است اما هدف متفاوتی دارد. مانند BASE-STEP، PUMA همچنین شامل تهیه یک تله قابل حمل برای جابجایی پادپروتون ها از سالن ضد پروتون (AD) CERN به تاسیسات ISOLDE آن برای استفاده در مطالعه پدیده های فیزیک هسته ای عجیب و غریب است.

***

منابع:

سرن اخبار – آزمایش BASE گام بزرگی به سوی ضد ماده قابل حمل برداشته است. ارسال شده در 25 اکتبر 2024. موجود در https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter

سرن گزارش طراحی فنی BASE-STEP. https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf

Smorra C., et al 2023. BASE-STEP: مخزن ضد پروتون قابل حمل برای مطالعات برهمکنش اساسی. کشیش علمی ساز. 94, 113201. 16 نوامبر 2023. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155492

Aumann, T., Bartmann, W., Boine-Frankenheim, O. et al. پوما، از بین بردن ماده ناپایدار ضد پروتون. یورو فیزیک J. A 58, 88 (2022). DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x

***

مقالات مرتبط