Roma – In una svolta nella ricerca sull’antimateria , la collaborazione BASE al CERN ha mantenuto un antiprotone – la controparte in antimateria del protone – in oscillazione fluida tra due diversi stati quantici per quasi un minuto, mentre era intrappolato. Il risultato, riportato in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature, segna la prima dimostrazione di un bit quantico di antimateria, o qubit, e apre la strada a confronti sostanzialmente migliori tra il comportamento della materia e dell’antimateria.
Particelle come l’antiprotone, che ha la stessa massa ma carica elettrica opposta a quella del protone, si comportano come piccole barre magnetiche che possono “puntare” in una delle due direzioni, a seconda del loro spin quantistico sottostante.
Misurare il modo in cui questi cosiddetti momenti magnetici si invertono, utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di transizione quantistica coerente, è un potente strumento per la rilevazione quantistica e l’elaborazione delle informazioni. Permette inoltre di testare ad alta precisione le leggi fondamentali della natura, inclusa la simmetria carica-parità-tempo. Questa simmetria stabilisce che materia e antimateria si comportano in modo identico, il che è in contrasto con l’osservazione secondo cui la materia supera di gran lunga l’antimateria nell’Universo.
Le particelle possiedono caratteristiche quantistiche che sfidano il nostro senso comune, come la capacità di interferire con se stesse, come dimostrato nell’esperimento della doppia fenditura. Le interazioni con l’ambiente circostante possono sopprimere rapidamente questi effetti di interferenza attraverso un processo noto come decoerenza quantistica. Preservare la coerenza è essenziale per controllare e tracciare l’evoluzione dei sistemi quantistici, come le transizioni tra gli stati di spin di un singolo antiprotone.
Sebbene transizioni quantistiche coerenti siano già state osservate in grandi quantità di particelle e in ioni intrappolati, non erano mai state osservate per un singolo momento magnetico nucleare libero, nonostante quest’ultimo sia ampiamente trattato nei manuali di fisica. La collaborazione BASE ha ora raggiunto questo obiettivo presso la fabbrica di antimateria del CERN.
Per certi versi, l’impresa può essere paragonata allo spingere un bambino sull’altalena di un parco giochi. Con la spinta giusta, l’altalena si muove avanti e indietro a un ritmo perfetto. Ora immagina che l’altalena sia un singolo antiprotone intrappolato che oscilla tra i suoi stati di spin “su” e “giù” a un ritmo regolare e controllato. La collaborazione BASE ha raggiunto questo risultato utilizzando un sofisticato sistema di trappole elettromagnetiche per dare all’antiprotone la giusta “spinta” al momento giusto. E poiché questa altalena ha proprietà quantistiche, il qubit di spin di antimateria può persino puntare in direzioni diverse contemporaneamente, pur non essendo osservato.
L’esperimento BASE studia gli antiprotoni prodotti nella fabbrica di antimateria del CERN, immagazzinandoli in trappole elettromagnetiche di Penning e immettendoli uno alla volta in un secondo sistema multi-trappola per, tra le altre cose, misurarne e modificarne lo stato di spin. Utilizzando questa configurazione, la collaborazione BASE è già riuscita a dimostrare che le grandezze dei momenti magnetici del protone e dell’antiprotone sono identiche entro poche parti per miliardo. Qualsiasi lieve differenza nelle loro grandezze romperebbe la simmetria carica-parità-tempo e indicherebbe una nuova fisica che va oltre il Modello Standard delle particelle.
Tuttavia, questo risultato precedente si basava su una tecnica di spettroscopia incoerente in cui le transizioni quantistiche erano disturbate da fluttuazioni del campo magnetico e interferenze di misura. In un sostanziale miglioramento dell’esperimento, questi meccanismi di decoerenza sono stati soppressi ed eliminati, culminando nella prima spettroscopia coerente dello spin di un antiprotone. Il team BASE ha ora raggiunto questo risultato per un periodo – chiamato tempo di coerenza di spin – di 50 secondi.
“Questo rappresenta il primo qubit di antimateria e apre la prospettiva di applicare l’intero set di metodi di spettroscopia coerente a singoli sistemi di materia e antimateria in esperimenti di precisione”, spiega il portavoce di BASE, Stefan Ulmer. “Soprattutto, aiuterà BASE a eseguire misurazioni del momento antiprotonico in esperimenti futuri con una precisione da 10 a 100 volte superiore.”
Sebbene i qubit siano i componenti fondamentali dei computer quantistici, consentendo di memorizzare le informazioni non solo in uno dei due stati, ma tramite una sovrapposizione potenzialmente illimitata di tali stati, è improbabile che il qubit di antimateria dimostrato da BASE abbia applicazioni immediate al di fuori della fisica fondamentale.
Un balzo in avanti ancora maggiore nella precisione delle misurazioni degli antiprotoni è previsto utilizzando BASE-STEP, progettato per consentire il trasporto su strada di antiparticelle intrappolate in ambienti magnetici “più calmi” rispetto alla fabbrica di antimateria. “Una volta pienamente operativo, il nostro nuovo sistema di trappola di precisione offline Penning, che sarà alimentato con antiprotoni trasportati da BASE-STEP, potrebbe consentirci di raggiungere tempi di coerenza di spin forse anche dieci volte superiori rispetto agli esperimenti attuali, il che rappresenterà una svolta per la ricerca sull’antimateria barionica”, afferma Barbara Latacz, autrice principale dell’articolo.(30Science.com)
