Uma colaboração internacional de cientistas do Laboratório de Simetrias Fundamentais de Ulmer (FSL) da RIKEN, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Instituto Max Planck de Física Nuclear, Heidelberg e GSI Darmstadt, usaram técnicas de alta precisão para fazer a medição mais precisa até o momento do momento magnético do próton, descobrindo que é 2,79284734462 mais ou menos 0,00000000082 magnetos nucleares, a unidade normalmente usada para medir essa propriedade. O momento magnético, uma propriedade de partículas que dá origem ao magnetismo, é uma das propriedades fundamentais do próton e é a chave para compreender propriedades como a estrutura dos átomos.

Um trabalho meticuloso foi necessário para fazer essas medições sem precedentes, que têm uma precisão melhor do que uma parte por bilhão. Primeiro, os pesquisadores tiveram que isolar um único próton - não dois ou três - na armadilha. Eles fizeram isso detectando o sinal térmico dos íons presos na armadilha, e então usando um campo elétrico para eliminá-los até que ficassem com apenas um.

A chave para a tremenda precisão, Contudo, foi uma combinação de engenharia extremamente difícil com a capacidade de transportar o próton entre duas armadilhas diferentes.

O método do grupo para medir diretamente o momento magnético de uma partícula é baseado no fato de que um próton em uma armadilha Penning alinha seu spin com o campo magnético da armadilha. O método básico é usar o detector para medir duas frequências - conhecidas como frequência de Larmor (spin-precessão) e frequência do ciclotron do próton em um campo magnético. Eles podem ser usados ​​para encontrar o momento magnético. A frequência do ciclotron do próton pode ser medida usando o que é chamado de teorema da invariância de Brown-Gabrielse, enquanto a frequência de Larmor pode ser medida conduzindo inversões de rotação - usando um sinal de radiofrequência que aquece a partícula - e medindo a probabilidade de uma inversão de rotação em função da frequência de transmissão.

A já elevada precisão dessas medições pode ser aumentada ainda mais, Contudo, usando o método de armadilha dupla, onde a frequência do ciclotron é medida e as transições de spin são induzidas em uma primeira armadilha. O próton é então cuidadosamente transportado para uma segunda armadilha, onde o estado de spin é detectado usando uma grande inomogeneidade magnética - uma garrafa magnética. A separação espacial de medição de frequência de alta precisão e detecção de estado de rotação torna possíveis medições extremamente precisas.

Para os experimentos atuais, três prótons individuais foram usados ​​para um total de 1, 264 ciclos de experimentos, cada um levando aproximadamente 90 minutos. Todo o experimento exigiu aproximadamente quatro meses, incluindo manutenção e verificações cruzadas sistemáticas.

De acordo com Georg Schneider, o primeiro autor do artigo, "Para avançar na física de partículas, exigimos instalações de alta energia ou medições superprecisas. Com nosso trabalho, estamos seguindo o segundo caminho, e esperamos no futuro fazer experimentos semelhantes com antiprótons usando a mesma técnica. Isso nos permitirá compreender melhor, por exemplo, estrutura atômica."

De acordo com Andreas Mooser, segundo autor do estudo e membro do RIKEN FSL, "Esperando ansiosamente, usando esta técnica, seremos capazes de fazer medições igualmente precisas do antipróton no experimento BASE no CERN, e isso nos permitirá procurar mais dicas sobre por que não há antimatéria no universo hoje. "

O trabalho foi publicado no dia 23 de novembro em Ciência .