Simetria dintre materie și antimaterie este perfectă, condiții în care, după Big Bang, particulele de materie și cele de antimaterie ar fi trebuit să se anuleze reciproc, iar Universul nu ar fi trebuit să existe, conform concluziilor la care au ajuns fizicieni de la Organizația Europeană pentru Cercetări Nucleare (CERN), al cărei sediu se află în apropiere de Geneva, în Elveția, informează cosmosmagazine.com, care preia un studiu publicat în ultimul număr al revistei Nature.
Unul dintre marile mistere ale fizicii moderne este legat de faptul că interacțiunea dintre materie și antimaterie, de după Big Bang, ar fi trebuit să ducă la distrugerea, din fașă, a Universului. Pentru a elucida acest mister, fizicienii au postulat că trebuie să existe și o altă diferență între materie și antimaterie, în afara sarcinii lor electrice. Însă, oricare ar fi această diferență, se pare că ea nu ține nici de magnetismul particulelor de materie și de antimaterie, conform noului studiu realizat la CERN.
„Toate observațiile noastre au descoperit o simetrie perfectă între materie și antimaterie, motiv din care Universul nu ar fi trebuit să existe”, explică Christian Smorra, fizician în cadrul experimentului BASE (Baryon-Antibaryon Symmetry Experiment) de la CERN. „Aici, pe undeva, ar trebui să existe o asimetrie, dar noi pur și simplu nu am putut-o descoperi”, a adăugat el.
Instabilitatea antimateriei este de notorietate — orice contact cu materia ordinară și cele două se anihilează reciproc într-o explozie de energie pură, care este cea mai eficientă reacție cunoscută din fizică. Nu întâmplător, reacția dintre materie și antimaterie a fost aleasă pentru a alimenta motoarele celebrei nave stelare Enterprise din seria „Star Trek”.
Modelul Standard din fizică susține că în urma exploziei primordiale, Big Bang, au rezultat cantități egale de materie și antimaterie — însă acest amestec exploziv ar fi dus la anihilarea materiei (odată cu antimateria) și nu ar mai fi rămas nimic din care să se formeze primele galaxii și să se aprindă primele stele.
Pentru a explica cum se face că Universul totuși există, fizicienii au încercat să identifice măcar o singură discrepanță în simetria aparent perfectă dintre materie și antimaterie, care să explice de ce materia a devenit dominantă în cosmos. Ei au măsurat extrem de precis tot felul de proprietăți ale materiei și antimateriei: masa, sarcina electrică ș.a.m.d., dar cel puțin deocamdată, nu au reușit să identifice nicio diferență în afara sarcinii electrice. Cercetători de la CERN au reușit cele mai exacte măsurători de până acum ale momentului magnetic al unui antiproton — un număr care măsoară modul în care o particulă reacționează la forța magnetică — și au ajuns la concluzia că este exact același ca și în cazul protonului, dar de sens opus.
Momentul magnetic al antiprotonilor, prin comparație cu cel al protonilor, nu a fost însă studiat până acum cu mare precizie. În urmă cu zece ani, Stefan Ulmer și echipa BASE, pe care o coordonează în cadrul CERN, și-au fixat obiectivul de a măsura momentul magnetic al antiprotonilor. În primă instanță ei au trebuit să dezvolte o modalitate de a măsura direct momentul magnetic al unui proton obișnuit. Ei au reușit acest lucru blocând protoni individuali într-un câmp magnetic și apoi inducându-i salturi cuantice în spin prin intermediul unui alt câmp magnetic. Această reușită a fost anunțată în 2014.
Cercetătorii au trebuit să realizeze același experiment pe antiprotoni — sarcină cu atât mai dificilă cu cât antiprotonii sunt anihilați imediat la contactul cu materia. Pentru a reuși, cercetătorii au folosit cea mai rece și mai veche antimaterie creată până în prezent. După obținerea antiprotonilor în 2015, echipa a reușit să-i păstreze pentru mai mult de un an în interiorul unei camere speciale de dimensiunile și forma unui tub de Pringles. Cum însă niciun container de materie nu poate conține antimaterie, fizicienii au apelat la câmpuri magnetice și electrice pentru a păstra antimateria în niște dispozitive denumite „capcane” Penning.
De obicei, durata în care poate fi păstrată antimateria depinde de micile imperfecțiuni ale capcanelor Penning — mici fluctuații în câmpul magnetic sau electric permit „evadarea” antimateriei ce este imediat distrusă de contactul cu materia. Însă, folosind o combinație de două astfel de capcane, echipa BASE a reușit să construiască cea mai performantă cameră pentru antimaterie de până acum, reușind să păstreze antiprotonii timp de 405 zile. Acest dispozitiv performant de stocare le-a permis cercetătorilor să desfășoare măsurătorile asupra momentului magnetic al antiprotonilor. Valoarea momentului magnetic al antiprotonilor rezultată este de—2.7928473441 ľN. În afara semnului (-), această valoare este identică cu cea măsurată pentru protoni.
Noua măsurătoare are o precizie de 9 zecimale — fiind echivalentul măsurării circumferinței Pământului cu o marjă de eroare de doar câțiva centimetri — și este de 350 de ori mai exactă decât orice altă măsurătoare anterioară.
„Acest rezultat reprezintă culminarea multor ani de studii continue, dar și realizarea cu succes a uneia dintre cele mai dificile măsurători ce a fost făcută vreodată într-un instrument de tip capcană Penning”, conform lui Ulmer.