双疏水阀系统，由冷却疏水阀（CT）和分析疏水阀（AT）组成，带有一个强度为B的叠加磁瓶2，在=266（8）千吨/米2.图片来源：Physical Review Letters（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.053201

为什么宇宙包含物质而（几乎）没有反物质？由杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（HHU）的Stefan Ulmer教授领导的日内瓦欧洲核子研究组织（CERN）的BASE国际研究合作在这方面取得了实验突破。

它可以比以往任何时候都更精确地测量反质子的质量和磁矩，从而识别可能的物质-反物质不对称性。正如研究人员在《物理评论快报》中解释的那样，BASE开发了一种陷阱，它可以比过去更快地冷却单个反质子。

在130多亿年前的大爆炸之后，宇宙充满了高能辐射，不断产生成对的物质和反物质粒子，如质子和反质子。

当这样一对碰撞时，粒子被湮灭并再次转化为纯能量。因此，总而言之，完全相同数量的物质和反物质应该再次产生和湮灭，这意味着宇宙应该在很大程度上是无物质的。

然而，由于物质对象确实存在，因此显然存在不平衡——不对称。产生的物质比产生的反物质多得多，这与粒子物理学的标准模型相矛盾。因此，几十年来，物理学家一直在寻求扩展标准模型。为此，他们还需要对基本物理参数进行极其精确的测量。

这是BASE合作（“重子反重子对称实验”）的起点。它涉及杜塞尔多夫、汉诺威、海德堡、美因茨和东京的大学、苏黎世的瑞士联邦理工学院和日内瓦的欧洲核子研究中心、达姆施塔特的GSI亥姆霍兹中心、海德堡的马克斯普朗克核物理研究所、不伦瑞克的德国国家计量研究所（PTB）和日本瓦光的RIKEN的研究设施。

“我们试图回答的核心问题是：物质粒子和它们相应的反物质粒子的重量是否完全相同，它们是否具有完全相同的磁矩，还是存在微小的差异？”BASE发言人Stefan Ulmer教授解释说。他是哈佛大学实验物理研究所的教授，并在欧洲核子研究中心和理化学研究所进行研究。

物理学家希望对所谓的自旋翻转（质子自旋的量子跃迁）进行极高分辨率的测量，用于单个的、超冷的、因此能量极低的反质子;即质子自旋方向的变化。

“从测量的跃迁频率中，我们可以确定反质子的磁矩 - 可以说是它们的微小内部条形磁铁，”Ulmer解释说。他补充说：“目的是以前所未有的精度观察质子和反质子中的这些条形磁铁是否具有相同的强度。

以一种能够达到如此准确度水平的方式准备用于测量的单个反质子是一项极其耗时的实验任务。BASE的合作现在在这方面迈出了决定性的一步。

来自欧洲核子研究中心的Barbara Maria Latacz博士，该研究的主要作者说：“我们需要最高温度为200 mK的反质子，即极冷的粒子。这是区分各种自旋量子态的唯一方法。使用以前的技术，需要 15 小时才能将我们从 CERN 加速器复合物中获得的反质子冷却到这个温度。我们的新冷却方法将这一时间缩短到八分钟。

研究人员通过将两个所谓的潘宁陷阱组合成一个装置来实现这一点，即“麦克斯韦守护进程冷却双陷阱”。该捕集阱使得可以有针对性地仅制备最冷的反质子，并将它们用于随后的自旋翻转测量;较热的颗粒被剔除。这消除了冷却较热的反质子所需的时间。

为了在明显更短的时间内获得所需的测量统计数据，需要明显缩短的冷却时间，从而进一步降低测量不确定度。

Latacz 说：“我们至少需要 1,000 个单独的测量周期。使用我们的新陷阱，我们需要大约一个月的测量时间，而使用旧技术则需要近十年的时间，这在实验上是不可能实现的。

Ulmer：“通过BASE陷阱，我们已经能够测量出质子和反质子的磁矩相差最多十亿分之一——我们谈论的是十亿分之一-9.我们已经能够将自旋识别的错误率提高 1,000 倍以上。在下一次测量活动中，我们希望将磁矩精度提高到 10-10."

Ulmer教授说：“我们想建造一个移动粒子陷阱，我们可以用它来将日内瓦CERN产生的反质子运送到HHU的新实验室。这是以这样一种方式设置的，我们可以希望将测量精度至少再提高 10 倍。

陷阱可以利用磁场和电场长时间存储单个带电的基本粒子、它们的反粒子甚至原子核。储存期可能超过十年。然后可以在捕集器中进行有针对性的颗粒测量。

有两种基本类型的结构：所谓的保罗陷阱（由德国物理学家沃尔夫冈·保罗在 1950 年代开发）使用交变电场来容纳粒子。汉斯·德梅尔特（Hans G. Dehmelt）开发的“潘宁陷阱”使用均匀磁场和静电四极杆场。两位物理学家都在1989年因其发展而获得诺贝尔奖。

更多信息：B. M. Latacz 等人，Quantity of Quantity Improved Cyclotron-Mode Cooling for Nondestructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trap Antiprotons，《物理评论快报》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.053201

期刊信息： Physical Review Letters