Vooruitgang in antiprotontransport  

De oerknal produceerde gelijke hoeveelheden materie en antimaterie die elkaar hadden moeten vernietigen en een leeg heelal achterlieten. Materie overleefde echter en domineert het heelal, terwijl antimaterie verdween. Men denkt dat een onbekend verschil in basiseigenschappen tussen deeltjes en overeenkomstige antideeltjes hiervoor verantwoordelijk kan zijn. Zeer nauwkeurige metingen van fundamentele eigenschappen van antiprotonen kunnen het begrip van de asymmetrie tussen materie en antimaterie verrijken. Hiervoor is de aanvoer van antiprotonen nodig. Momenteel is de Antiproton Decelerator (AD) van CERN de enige faciliteit waar antiprotonen worden geproduceerd en opgeslagen. Het is niet mogelijk om zeer nauwkeurige studies van antiprotonen in de buurt van AD uit te voeren vanwege de fluctuaties in het magnetische veld die door versnellers worden gegenereerd. Daarom is het transporteren van antiprotonen van deze faciliteit naar andere laboratoria een noodzaak. Momenteel is er geen geschikte technologie om dit te doen. BASE-STEP is een stap voorwaarts in deze richting. Het is een relatief compact apparaat dat is ontworpen om antiprotonen op te slaan en te transporteren van de CERN-faciliteit naar laboratoria op andere locaties voor zeer nauwkeurige studies van antimaterie. Op 24 oktober 2024 voerde BASE-STEP een succesvolle technologiedemonstratie uit waarbij gevangen protonen als vervanging voor antiprotonen werden gebruikt. Het transporteerde een wolk van 70 protonen lokaal in een vrachtwagen. Dit was het eerste geval van transport van losse deeltjes in een herbruikbare val en een belangrijke opstap naar de oprichting van een antiprotonenafgifteservice voor experimenten in andere laboratoria. Met enkele verfijningen in procedures is het de bedoeling dat antiprotonen in 2025 worden getransporteerd.  

In het begin produceerde de oerknal evenveel materie als antimaterie. Beide zijn identiek in eigenschappen, alleen hebben ze tegengestelde ladingen en zijn hun magnetische momenten omgekeerd.  

De materie en antimaterie hadden snel vernietigd moeten worden en een leeg universum achter moeten laten, maar dat gebeurde niet. Het universum wordt nu volledig gedomineerd door materie, terwijl antimaterie verdween. Er wordt gedacht dat er een onbekend verschil is tussen fundamentele deeltjes en hun corresponderende antideeltjes, wat kan hebben geleid tot het overleven van materie, terwijl antimaterie werd geëlimineerd, wat leidde tot materie-antimaterie-asymmetrie.  

Volgens CPT (Charge, Parity, and Time reversal) symmetrie, dat deel uitmaakt van het Standaardmodel van de deeltjesfysica, zouden de basiseigenschappen van deeltjes gelijk en gedeeltelijk tegengesteld moeten zijn aan die van hun corresponderende antideeltjes. Zeer nauwkeurige experimentele metingen van verschillen in de basiseigenschappen (zoals massa's, ladingen, levensduur of magnetische momenten) van deeltjes en hun corresponderende antideeltjes kunnen helpen bij het begrijpen van materie-antimaterie-asymmetrie. Dit is de context van CERN's Baryon Antibaryon-symmetrie-experiment (BASE).   

BASE-experiment is ontworpen om Proton Antiproton Symmetry te onderzoeken door het uitvoeren van zeer nauwkeurige metingen van eigenschappen (zoals intrinsiek magnetisch moment) van antiprotonen met een fractionele precisie in de orde van part-per-billion. De volgende stap is het vergelijken van deze metingen met de corresponderende waarden voor protonen. Voor intrinsiek magnetisch moment is het hele proces gebaseerd op metingen van de Larmor-frequentie en de cyclotronfrequentie.     

Momenteel is de Antiproton Decelerator (AD) van CERN de enige faciliteit waar antiprotonen routinematig worden geproduceerd en opgeslagen. Deze antiprotonen moeten hier bij de faciliteit van CERN worden bestudeerd, maar de magnetische veldfluctuaties die door de versneller op de locatie worden gegenereerd, beperken de precisie van metingen van antiprotoneigenschappen. Vandaar de noodzaak om antiprotonen die bij AD worden geproduceerd, naar laboratoria op andere locaties te transporteren. Maar antimaterie is niet eenvoudig te behandelen, omdat ze snel vernietigen als ze in contact komen met materie. Momenteel is er geen geschikte technologie om antiprotonen naar laboratoria op andere locaties te transporteren, zodat onderzoekers zeer nauwkeurige studies kunnen uitvoeren. BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons) is een stap voorwaarts in deze richting.  

BASE-STEP is een relatief compact apparaat dat is ontworpen om antiprotonen op te slaan en te transporteren van CERN-faciliteiten naar laboratoria op andere locaties voor zeer nauwkeurige studies van antimaterie. Het is een subproject van BASE, weegt ongeveer een ton en is ongeveer vijf keer kleiner dan het originele BSE-experiment.  

Op 24 oktober 2024 voerde BASE-STEP een succesvolle technologiedemonstratie uit waarbij gevangen protonen als vervanging voor antiprotonen werden gebruikt. Het transporteerde een wolk van 70 protonen lokaal in een vrachtwagen. Dit was het eerste geval van transport van losse deeltjes in een herbruikbare val en een belangrijke opstap naar de oprichting van een antiproton-afgifteservice voor experimenten in andere laboratoria. Met enige verfijning in procedures staat het transport van antiproton gepland voor 2025.  

PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) is een ander experiment van vergelijkbare aard, maar gericht op een ander doel. Net als BASE-STEP omvat PUMA ook de voorbereiding van een transporteerbare val om antiprotonen te verplaatsen van de Antiproton Decelerator (AD) hal van CERN naar de ISOLDE-faciliteit voor gebruik in de studie van exotische kernfysicaverschijnselen.  

*** 

Referenties:  

1. CERN. Nieuws – BASE-experiment zet grote stap richting draagbare antimaterie. Geplaatst op 25 oktober 2024. Beschikbaar op https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter  

2. CERN. Technisch ontwerprapport van BASE-STEP.  https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf 

3. Smorra C., et al 2023. BASE-STEP: Een transporteerbaar antiprotonreservoir voor fundamentele interactiestudies. Rev. Sci. Instrum. 94, 113201. 16 november 2023. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155492 

4. Aumann, T., Bartmann, W., Boine-Frankenheim, O. et al. PUMA, antiProton-vernietiging van onstabiele materie. Eur. Fys. J.A 58, 88 (2022). DOI: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x 

*** 

Gerelateerde artikelen 

• Waarom domineert 'materie' het heelal en niet 'antimaterie'? Op zoek naar waarom het universum bestaat (18 april 2020) 

• Onthulling van het mysterie van materie-antimaterie-asymmetrie van het heelal met neutrino-oscillatie-experimenten (1 mei 2020)  

• Deeltjesversnellers voor onderzoek naar het ‘zeer vroege heelal’: muonenversneller gedemonstreerd (31 oktober 2024)  

***