Στο επίκεντρο της σύγχρονης φυσικής βρίσκεται ένα από τα μεγαλύτερα και πιο αινιγματικά ερωτήματα του Σύμπαντος: γιατί το γνωστό μας Σύμπαν αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από ύλη; Σύμφωνα με τη θεωρία, το Big Bang θα έπρεπε να είχε δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Καθώς όμως οι δύο αυτές μορφές αλληλοεξουδετερώνονται όταν έρχονται σε επαφή, το Σύμπαν θα έπρεπε να είναι σήμερα ένα άδειο κενό γεμάτο μόνο με ενέργεια. Ωστόσο, η πραγματικότητα αποδεικνύει το αντίθετο, υποδεικνύοντας ότι κάποια ανεπαίσθητη ασυμμετρία έγειρε την πλάστιγγα υπέρ της ύλης.
Με στόχο να ρίξουν φως σε αυτό το κοσμικό μυστήριο, οι επιστήμονες του πειράματος BASE στο CERN κατάφεραν μια εντυπωσιακή πρόοδο, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature. Για πρώτη φορά στην ιστορία, δημιούργησαν ένα κβαντικό bit (qubit) χρησιμοποιώντας ένα μόνο σωματίδιο αντιύλης — ένα αντιπρωτόνιο — και κατάφεραν να το διατηρήσουν σε κατάσταση κβαντικής συνοχής για σχεδόν ένα λεπτό.
Παρόλο που ο όρος qubit παραπέμπει συνήθως σε επαναστατικές εφαρμογές στον τομέα της κβαντικής πληροφορικής, το συγκεκριμένο επίτευγμα υπηρετεί έναν τελείως διαφορετικό σκοπό. Το qubit που δημιουργήθηκε από αντιπρωτόνιο δεν προορίζεται για την επεξεργασία πληροφοριών, αλλά λειτουργεί ως εξαιρετικά ευαίσθητο επιστημονικό εργαλείο για την ακριβή μελέτη των ιδιοτήτων της αντιύλης. Η τελική επιδίωξη είναι η δοκιμή της θεμελιώδους συμμετρίας CPT (Charge, Parity, Time), σύμφωνα με την οποία κάθε σωματίδιο και το αντισωματίδιό του πρέπει να έχουν ίση μάζα, αντίθετο φορτίο και να υπακούουν με κατοπτρικό τρόπο στους ίδιους φυσικούς νόμους.
Μέχρι σήμερα, όλες οι μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων της ομάδας του BASE, έχουν επιβεβαιώσει τη συμμετρία αυτή με αξιοθαύμαστη ακρίβεια. Ωστόσο, οι φυσικοί δεν εγκαταλείπουν την προσπάθεια. Ακόμη και μια ελάχιστη παραβίαση αυτής της αρχής θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύμπαν δεν κατέληξε σε μια κατάσταση πλήρους εκμηδένισης ύλης και αντιύλης.
Για την πραγματοποίηση του πειράματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια εξελιγμένη διάταξη που ονομάζεται Penning Trap. Πρόκειται για ένα είδος «κλουβιού» που συγκρατεί το αντιπρωτόνιο σε αιώρηση, χάρη σε προσεκτικά ρυθμισμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, εμποδίζοντάς το να έρθει σε επαφή με κανονική ύλη και να εξαϋλωθεί. Μέσα σε αυτό το περιβάλλον, οι επιστήμονες κατάφεραν να ελέγξουν την κβαντική ιδιότητα του σπιν του αντιπρωτονίου. Το σπιν, μια εσωτερική ιδιότητα των σωματιδίων, συνδέεται με την ύπαρξη μαγνητικής ροπής, και στην κβαντική φυσική μπορεί να βρεθεί ταυτόχρονα σε δύο αντίθετες καταστάσεις, κάτι ανάλογο με την παραβολή της γάτας του Schrödinger, που είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή μέχρι να παρατηρηθεί.
Το γεγονός ότι ένα αντιπρωτόνιο διατηρήθηκε σε υπέρθεση καταστάσεων για περίπου 50 δευτερόλεπτα συνιστά ένα επιστημονικό ορόσημο. Όπως εξήγησε ο Stefan Ulmer, επικεφαλής του πειράματος BASE, αυτή είναι η πρώτη φορά που καταγράφεται η δημιουργία ενός qubit από αντιύλη, και το επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο για την εφαρμογή μεθόδων κβαντικής φασματοσκοπίας υψηλής ακρίβειας σε μεμονωμένα συστήματα ύλης και αντιύλης.
Οι προοπτικές είναι ακόμη πιο ελπιδοφόρες με την ανάπτυξη του επόμενου βήματος, του προγράμματος BASE-STEP. Η νέα αυτή φάση θα περιλαμβάνει μια φορητή έκδοση της Penning Trap, που θα επιτρέπει τη μεταφορά των αντιπρωτονίων εκτός του περιβάλλοντος του CERN σε πιο «ήσυχα» μαγνητικά εργαστήρια, τα οποία μπορούν να προσφέρουν καλύτερες συνθήκες για ακριβέστερες μετρήσεις και μεγαλύτερη διατήρηση της κβαντικής συνοχής.
Η μεταφορά αυτή, όπως εξηγεί η Barbara Latacz, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, θα μπορούσε να επιτρέψει μετρήσεις με ακρίβεια 10 έως 100 φορές υψηλότερη από τις σημερινές δυνατότητες. Μια τέτοια βελτίωση ενδέχεται να μεταμορφώσει πλήρως το πεδίο της έρευνας για τη βαρυονική αντιύλη και να φέρει τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της βαθύτερης φύσης του σύμπαντος.
Ένα και μοναδικό σωματίδιο αντιύλης, παγιδευμένο σε μια μαγνητική παγίδα και ταυτόχρονα σε δύο κβαντικές καταστάσεις, ίσως τελικά να κρατάει το κλειδί για ένα από τα πιο διαχρονικά ερωτήματα της κοσμολογίας: γιατί υπάρχουμε.
[via]
