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Nuova misura del momento magnetico dell'antiprotone

Misurare le proprietà di particelle e antiparticelle è interessante per molti motivi. Potremmo infatti imparare qualcosa sul perchè il nostro Universo, fatto solo di materia, sia così asimmetrico.
Nell'ambito del Modello Standard delle particelle elementari, il confronto delle proprietà di particelle e antiparticelle è predetto dal Teorema CPT, che tratta dell'effetto combinato di tre simmetrie discrete: coniugazione di carica C, inversione spaziale P, e inversione temporale T.
Il teorema predice che particelle e antiparticelle abbiano proprietà identiche, a meno di un segno, appunto la carica elettrica. In particolare masse e vite medie sono uguali, mentre carica e momento magnetico sono uguali in modulo, ma opposti in segno.
Questo teorema si dimostra in una Teoria Quantistica di Campo sotto le condizioni di invarianza di Lorentz e di località delle interazioni.
I test di CPT sono quindi verifiche fondamentali della validità della attuale descrizione della natura. A questo riguardo, occorre ricordare che non abbiamo ancora una teoria quantistica della gravità, e che il teorema CPT è quindi dimostrato in uno spaziotempo piatto. Per questo motivo, anche piccole violazioni di simmetria potrebbero rivestire una grandissima importanza.
La simmetria CPT viene studiata in una molteplicità di sistemi, tra i quali i momenti magnetici delle particelle e delle antiparticelle. Nel caso in esame si tratta di protone e antiprotone, che finora erano stati confrontati studiando solo le proprietà degli atomi esotici.
In un atomo esotico, l'antiprotone è in orbita attorno al nucleo, dove sostituisce uno degli elettroni. I test con atomi esotici avevano stabilito l'uguaglianza dei momenti magnetici di protone e antiprotone al livello del 3 per mille.
In questa nuova misura, realizzata dal gruppo ATRAP guidato da Gerald Gabrielse, il momento magnetico dell'antiprotone viene confrontato con quello del protone al livello di poche parti per milione, consentendo un guadagno di sensibilità di circa 700 volte.
L'apparato di misura, sviluppato e testato con protoni ad Harvard, è stato poi installato al CERN e accoppiato all'Antiproton Decelerator, l'unica macchina al mondo in grado di fornire antiprotoni a energie relativamente basse. Nell'esperimento  - e questo è un aspetto innovativo essenziale -  vengono misurate le proprietà di un antiprotone singolo, eccitando sia la sua frequenza di ciclotrone, che facendogli eseguire transizioni di spin (spin-flip). Il rapporto tra queste due frequenze fornisce infatti una misura del 'g-factor' dell'antiprotone.
Il confronto del momento magnetico dell'antiprotone con quello del protone è facilitato dal fatto che il rapporto carica/massa è conosciuto essere uguale per protoni e antiprotoni, entro meno di una parte per miliardo. E questo pure è un test di CPT.
In definitiva, pur non essendo tra i più sensibili test di CPT in assoluto, questa misura costituisce un miglioramento di 700 volte rispetto a quella precedente, e apre la strada a una serie di misure di precisione su particelle singole, a dimostrazione della grande sensitività raggiunta in questi esperimenti. 

 

Marco Giammarchi 

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i13/e131302 (richiede abbonamento)

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