BASE CERN
Zielsetzung
BASE am CERN ist das Flaggschiff-Experiment der Kollaboration. In diesem Experiment verwenden wir hochentwickelte kryogene Penningfallen-Systeme, um die fundamentalen Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mit höchster Präzision zu vergleichen. Diese Untersuchungen testen die fundamentalen Symmetrien von Ladung (C), Parität (P) und Zeitumkehr (T) im Baryonensektor. Jede beobachtete Abweichung würde auf Physik jenseits des Standardmodells hindeuten und könnte zur Klärung des kosmologischen Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts beitragen.
Zentrale Ergebnisse – Tests der Materie-Antimaterie-Symmetrie
Die Kollaboration hält die Rekorde im Vergleich fundamentaler Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen. Wir haben den bislang präzisesten Test der CPT-Invarianz im Baryonensektor durchgeführt, indem wir das Ladungs-zu-Masse-Verhältnis von Protonen und Antiprotonen mit einer relativen Genauigkeit von 16 Teilen pro Trillion verglichen haben. Dieses Experiment basiert auf präziser Massenspektrometrie – durch den Vergleich von Antiprotonen mit negativ geladenen Wasserstoffionen – unter Verwendung einer schnellen Teilchentransfertechnik in einem Multi-Penningfallen-System. Darüber hinaus stellt dieses Experiment einen der strengsten Tests des schwachen Uhren-Äquivalenzprinzips mit Antimaterie dar und besitzt das Potenzial, weitere exotische Physikmechanismen einzuschränken.
Darüber hinaus führen wir hochauflösende Experimente zum Vergleich der magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen durch. Diese Experimente nutzen Quantensprung-Spektroskopie an einem einzelnen Antiprotonenspins zur Bestimmung der Spinpräzessionsfrequenz des Teilchens. Die Kombination dieser Einzelteilchen-Kernspinresonanzspektroskopie mit präzisen Messungen der Zyklotronfrequenz in der Falle ermöglicht den Zugang zum magnetischen Moment des Antiprotons.
Diese Messung ist außergewöhnlich anspruchsvoll, da das magnetische Moment des Antiprotons etwa 658-mal kleiner als das des Elektrons ist. Sie wird nur durch die Kombination mehrerer hochentwickelter Technologien am technologischen Limit realisierbar. Für dieses Experiment verwenden wir die weltweit kleinste Präzisions-Penningfalle, zerstörungsfreie Teilchendetektoren mit höchster Auflösung, die stabilsten Spannungsquellen der Welt, sowie die stärkste je in einem Penningfallenexperiment erzeugte magnetische Flasche, um den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt zur Auslese des Antiprotonenspins zu nutzen.
Durch die Kombination dieser Elemente mit Multi-Fallen-Techniken haben wir das magnetische Moment des Antiprotons mit einer relativen Genauigkeit im Bereich weniger Teile pro Milliarde bestimmt, g/2=2.792 847 344 1 (42). Neue kohärente Messungen, unterstützt durch eine einzigartige Kühlfalle, ein hochhomogenes Magnetfeld in der Präzisionsfalle sowie die erstmalige Anwendung kohärenter Spinspektroskopie, werden eine 10- bis 100-fache Verbesserung der bisher erreichten Messgenauigkeit ermöglichen. Diese Messung stellt den bislang präzisesten Test der CPT-Invarianz mit einer vektoriellen Größe im Baryonensektor dar und ist extrem empfindlich gegenüber anderen Erweiterungen des Standardmodells als das Ladungs-zu-Masse-Verhältnis-Experiment.
Grenzen der etablierten Physik – Exotische Tests mit Antiprotonen
BASE erforscht nicht nur fundamentale Eigenschaften des Antiprotons, sondern auch die Grenzen der etablierten Physik – insbesondere im Bereich dunkler Materie und schwach wechselwirkender Teilchen. Wir untersuchen hypothetische Teilchen wie Axionen und “Millicharged Particles” mit hochsensibler Penningfallen-Technologie.
Zu den Highlights zählen die weltweit ersten Einschränkungen zur Wechselwirkung von Antiprotonen mit axionenartiger Dunkler Materie, welche durch zeitabhängige Variationen des magnetischen Moments detektiert wurden. Mithilfe unserer supraleitenden Hochpräzisionsdetektionssysteme konnten wir außerdem die Kopplung von Axionen an Photonen untersuchen. Auch im Bereich “Millicharged Particles” – hypothetische Teilchen mit extrem geringer elektrischer Ladung – konnten wir durch Messungen von Zyklotron-Heizraten strengste Limits setzen.
Diese Ergebnisse testen nicht nur das Standardmodell, sondern eröffnen auch vielversprechende neue Wege zur Erforschung der Natur der Dunklen Materie.
Transformative Zukunft – Antiprotonen-Transport in ruhige Laborumgebung
Ein zentrales Ziel von BASE ist die signifikante Steigerung der Messgenauigkeit in Antiproton-Fundamentalkonstanten durch den Transport von Antimaterie-Experimenten aus der rauschenden Umgebung der AD/ELENA-Halle in ein ruhiges Offline-Labor. Der Grund: Präzision erfordert Stabilität. In beschleunigerfreien Intervallen haben wir enorme Stabilität der Zyklotronfrequenz und extrem schmale g-Faktor-Resonanzen erzielt. Sobald jedoch die Beschleuniger in Betrieb sind, führt magnetisches Rauschen zu drastischer Verschlechterung der Messqualität.
Diese Instabilität verlängert die notwendige Messzeit erheblich: Was in ruhiger Umgebung in wenigen Wochen erreicht werden kann, würde unter Rauschbedingungen Jahrzehnte erfordern. Das macht unabhängige Verifikationen potenzieller Entdeckungen nahezu unmöglich.
Unsere Vision
Wir wollen Antimaterie in kontrollierte, rauschfreie Laboratorien transportieren, um die Präzisionsgrenzen der Antimateriespektroskopie um mindestens zwei Größenordnungen zu erweitern. Erste Meilensteine sind erreicht – u. a. langzeitstabile Antiprotonen-Speicherung, Experimente mit extrem geringem Teilchenverbrauch sowie erfolgreicher Teilchentransport mit unserem mobilen Fallensystem BASE-STEP.
Jetzt sind wir bereit, BASE in ein dediziertes Offline-Labor zu verlagern und das volle Potenzial der Antiprotonenphysik auszuschöpfen.