Em um artigo publicado hoje na revista Ciência , o experimento ASACUSA no CERN relatou uma nova medição de precisão da massa do antipróton em relação à do elétron. Este resultado é baseado em medições espectroscópicas com cerca de 2 bilhões de átomos de hélio antiprotônicos resfriados a temperaturas extremamente frias de 1,5 a 1,7 graus acima do zero absoluto. Nos átomos de hélio antiprotônicos, um antipróton toma o lugar de um dos elétrons que normalmente orbitariam o núcleo. Essas medições fornecem uma ferramenta única para comparar com alta precisão a massa de uma partícula de antimatéria com sua contraparte de matéria. Os dois devem ser estritamente idênticos.

"Um grande número de átomos contendo antiprótons foi resfriado abaixo de 271 graus Celsius negativos. É surpreendente que um átomo de 'meia antimatéria' possa ser feito tão frio simplesmente colocando-o em um gás refrigerado de hélio normal, "disse Masaki Hori, líder do grupo na colaboração ASACUSA.

Partículas de matéria e antimatéria são sempre produzidas como um par em colisões de partículas. Partículas e antipartículas têm a mesma massa e carga elétrica oposta. O pósitron carregado positivamente, por exemplo, é um anti-elétron, a antipartícula do elétron carregado negativamente. Positrons foram observados desde 1930, tanto em colisões naturais de raios cósmicos quanto em aceleradores de partículas. Eles são usados ​​hoje em hospitais em scanners PET. Contudo, estudar partículas de antimatéria com alta precisão continua sendo um desafio, porque quando a matéria e a antimatéria entram em contato, eles aniquilam - desaparecendo em um lampejo de energia.

O desacelerador de antiprótons do CERN é uma instalação exclusiva que fornece feixes antiprótons de baixa energia para experimentos de estudos de antimatéria. Para fazer medições com esses antiprótons, vários experimentos os prendem por longos períodos usando dispositivos magnéticos. A abordagem da ASACUSA é diferente, pois o experimento é capaz de criar átomos híbridos muito especiais feitos de uma mistura de matéria e antimatéria:estes são os átomos de hélio antiprotônicos compostos de um antipróton e um elétron orbitando um núcleo de hélio. Eles são feitos pela mistura de antiprótons com gás hélio. Nesta mistura, cerca de 3% dos antiprótons substituem um dos dois elétrons do átomo de hélio. No hélio antiprotônico, o antipróton está em órbita ao redor do núcleo do hélio, e protegido pela nuvem de elétrons que envolve todo o átomo, tornando o hélio antiprotônico estável o suficiente para medições de precisão.

A medição da massa do antipróton é feita por espectroscopia, direcionando um feixe de laser para o hélio antiprotônico. Ajustar o laser na frequência certa faz com que os antiprótons dêem um salto quântico dentro dos átomos. A partir dessa frequência, a massa do antipróton em relação à massa do elétron pode ser calculada. Este método já foi usado com sucesso pela colaboração ASACUSA para medir com alta precisão a massa do antipróton. Contudo, o movimento microscópico dos átomos de hélio antiprotônicos introduziu uma fonte significativa de incerteza nas medições anteriores.

A principal nova conquista da colaboração, como relatado em Ciência , é que a ASACUSA agora conseguiu resfriar os átomos de hélio antiprotônicos a temperaturas próximas do zero absoluto, suspendendo-os em um gás-tampão de hélio muito frio. Desta maneira, o movimento microscópico dos átomos é reduzido, aumentando a precisão da medição de frequência. A medição da frequência de transição foi melhorada por um fator de 1,4 a 10 em comparação com experimentos anteriores. Os experimentos foram realizados de 2010 a 2014, com cerca de 2 bilhões de átomos, correspondendo a cerca de 17 femtogramas de hélio antiprotônico.

De acordo com as teorias padrão, Espera-se que prótons e antiprótons tenham exatamente a mesma massa. A data, nenhuma diferença foi encontrada entre suas massas, mas forçar os limites de precisão dessa comparação é um teste muito importante dos princípios teóricos fundamentais, como a simetria do CPT. CPT é uma consequência das simetrias básicas do espaço-tempo, como sua isotropia em todas as direções. A observação de até mesmo uma quebra de minuto do CPT exigiria uma revisão de nossas suposições sobre a natureza e as propriedades do espaço-tempo.

A colaboração ASACUSA está confiante de que será capaz de melhorar ainda mais a precisão da massa do antipróton usando dois feixes de laser. No futuro próximo, o início das instalações do ELENA no CERN também permitirá que a precisão de tais medições seja melhorada.