Prootoni spinn-üleminek on jälgitav

Teel prootoni sisemaailma parema tundmise poole mõõtsid saksa teadlased esimest korda üksiku lõksustatud prootoni spinn-üleminekuid.

Teadlaste töö on oluline samm edasi prootoni magnetiliste omaduste tundmaõppimisel. Arendatud tehnoloogia võimaldab mõõta ka antiprootoni spinn-üleminekuid. Teadmised antiprootonitest heidavad uut valgust aine ja tumeaine vahekorrale Universumis.

Prootoni fundamentaalne omadus on omaimpulsimoment ehk spinn, mis käitub justkui väike püsimagnet. Spinn võib piltlikult öeldes olla suunatud üles või alla. Üksiku prootoni magnetilist momenti, mis on spinniga kas sama- või vastusuunaline, pole seni suudetud mõõta, sest selle suurus on võrreldes elektroni- või positroni magnetmomentidega väga väike.

Johannes Guttenbergi Ülikooli, Mainzi Helmholtzi Instituudi ja teiste Saksa kaastöötajate abil edukaks osutunud eksperimendi ettevalmistamiseks kulus viis aastat. Üks põhilisi töösuundi oli väikesemõõdulise Penningi lõksu (loe lähemalt siit) väljatöötamine. Penningi seade on vaakumkeskkonnas töötav elektromagnetlõks, mis suudab osakesi paigal hoida. “Esimesed kaks aastat tegelesime krüoseadme väljatöötamisega, Penningi lõksude ja ülijuht-detektorite arendamisega. Kolmandal aastal saime katseseadmed tööle ja lõksustasime edukalt prootoni. Järgnevatel aastatel tegelesime aparaadi täiustamisega. Pärast nelja ja poolt aastat ettevalmistust õnnestus viimaks jälgida prootoni spinn-üleminekut,” ütles üks töörühma teadlastest Stefan Ulmer. Uus meetod võimaldab mõõta kõigest ühe osakese magnetomadusi. Lõksustav seade võib prootoneid kinni hoida kuid.

Võnkuvad prootonid

Penningi lõksus oleva prootoni magnetmoment on välise magnetväljaga samasihiline. Töörühm tekitas lisaks püsiväljale teisegi välja, mille tõttu tekkis seadmes mittehomogeenne elektromagnetväli. Seejärel levitati katsekambris raadiovälja, mis paneb prootoni raadiolainete mõjul sõltuvalt spinni olekust võnkuma. Spinni ülemineku korral on katseseadmes väliselt jälgitav väike sageduslik üleminek. Mõõdetud üleminekut saab kasutada prootoni magnetmomendi suuruse arvutamiseks.

Prootoni magnetmoment on väike, sellest olenemata on suurus mõõdetud 10e-4  komakoha täpsusega. “Meie siht on viia mõõtmiste täpsus vähemalt 10e-9-le. Nüüd tegelemegi seadme täiustamisega, et seatud eesmärk saavutada,” selgitab Ulmer.

Kergitades antiaine varju

Lähitulevikus loodab töörühm uut meetodit rakendada antiprootonite magnetmomentide mõõtmisele. Varasemad mõõtmised on sooritatud prootonite pilvedel, antiprootonite pilved on aga harvaesinevad. Mõõtmised tuleks sooritada teadusasutustes, kus madala 5.3 MeV (megaelektronvolt) energiaga antiprootoneid toota saab, näiteks CERN-i AD-s (CERN Antiproton Decelerator). “Kui on võimalik prootoni magnetmomenti mõõta, siis saab sama teha ka antiprootoniga. CERN-is toodetavaid antiprootoneid tahavad paljud töörühmad. Antiprootoneid on vaja näiteks suure täpsusega madalate energiate antiaine eksperimentideks. CERN-i  aeglusti toodangut saab Penningi lõksus pidurdada ja hoiustada,” ütleb Ulmer. Lisaks CERN-ile on antiprootoneid suuteline tootma Saksamaal asuv FLAIR (Facility for Low Energy Antiproton and Ion Research), aga asutuse tööle hakkamiseks kulub veel hulk aega.

Saadavusest suurem takistus antiprootoni magnetmomendi mõõtmisel on raskus osakest ühes kohas paigal hoida. CERN ALPHA eksperimendi (loe lähemalt siit) raames on sel aastal suudetud antiprootonit seisata 16 minutiks. Isegi sellise ajaga on raske soovitud mõõtmisi sooritada. Praegused andmed võimaldavad antiprootoni magnetmomenti määrata kolme komakoha täpsusega. Töörühm loodab oma panusega näitajaid parandada ja aidata kaasa suure täpsusega võrdluste tegemisel aine ja aintiaine vahel. Saadavad teadmised võimaldaksid teada saada kas CPT (Charge, Parity and Time symmetry. Loe lähemalt siit) sümmeetria eksisteerib või mitte ja luua teooriad, mis oleksid põhjalikumad kui praegune osakeste standardmudel.

Allikas: Physicsworld