Kiedy fizycy w CERN stworzyli pierwszy kubit z antymaterii, zapewne strzeliły tam korki od szampana. Nie dlatego, że odkrycie to wstrząsnęło nauką – wręcz przeciwnie: eksperyment potwierdził coś, co od lat było głęboko przewidywane przez teorię, ale dotąd niemożliwe do zrealizowania. Przez prawie minutę antyproton zawisł w stanie kwantowej superpozycji – to wydarzenie nie tylko sensacyjne, ale i precyzyjnie zaplanowany krok w badaniu zagadki przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie.
Materię i antymaterię łączy iście zabójcza relacja: w momencie zetknięcia się, obie natychmiast ulegają anihilacji, emitując cząstki gamma. Aby do tego nie dopuścić, naukowcy z projektu BASE wykorzystali urządzenia zwane pułapkami Penninga. Dzięki nim cząstki o przeciwnych ładunkach można utrzymać stabilnie w miejscu, używając precyzyjnie regulowanych pól elektrycznych i magnetycznych. W CERN zbudowano dwie takie pułapki: analityczną, mierzącą ruch antyprotonu w polu magnetycznym, oraz precyzyjną, zdolną manipulować kwantowym spinem cząstki i obserwować oscylacje jej własności magnetycznych.
Kiedy proton i antyproton krążą w tych osobnych, niemal sterylnych środowiskach, możliwe jest przeprowadzenie subtelnych pomiarów różnic w ich zachowaniu. Owe różnice – jeśli w ogóle istnieją – mogą wskazać, dlaczego nasz Wszechświat preferuje materię, mimo że w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu obie formy powinny powstać w równych ilościach.
Kwantowy spin jest jedną z tych własności, które trudno ująć w prosty sposób. Zresztą, to tyczy się całej fizyki kwantowej. Nazwa sugeruje obrót, ale jest to bardzo daleko idąca metafora – gdyby cząstka naprawdę się obracała, jej prędkość wirowania przekroczyłaby prędkość światła, co jest niemożliwe z punktu widzenia praw fizyki. W rzeczywistości spin to wewnętrzna własność, która nadaje cząstce magnetyczny moment. Protony i antyprotony mają spin równy 1/2 lub –1/2, przy czym w świecie kwantowym obie te wartości mogą istnieć jednocześnie, póki nie dojdzie do pomiaru, który tę superpozycję zredukuje do jednej konkretnej wartości. Dokładnie tak, jakby owa wartość miała "zrenderować się" w grze tylko wtedy, gdy patrzymy w tym konkretnym kierunku. Magia, prawda?
W tym właśnie tkwi istota superpozycji – stan cząstki jest nieokreślony, zawieszony między dwoma skrajnościami, aż do momentu ingerencji zewnętrznej, która zmusza ją do "wyboru" konkretnej rzeczywistości. W CERN udało się utrzymać antyproton w tak delikatnym, nierozstrzygniętym stanie aż przez 50 sekund. To rekord w tym kontekście, bo zwykłą materię utrzymywano już znacznie dłużej.
Pojęcie kubitu kojarzy się przede wszystkim z komputerami kwantowymi – urządzeniami przyszłości, obiecującymi ogromny skok wydajności przetwarzania informacji. Typowy kubit wykorzystuje fakt, że cząstka może być jednocześnie w stanie 0 i 1, co pozwala komputerom kwantowym na szybkie rozwiązywanie problemów, które klasyczne maszyny liczyłyby latami.
Jednak antyprotonowy kubit nie posłuży wprost budowie komputera kwantowego. Powód jest czysto praktyczny – zwykłą materię znacznie łatwiej kontrolować, bez ryzyka gwałtownej anihilacji. Antymateria jest natomiast narzędziem idealnym do testowania fundamentalnych przypadków symetrii w fizyce, m.in. o tym mówiącym nam, że prawa fizyki powinny być identyczne dla materii i antymaterii.
Czytaj również: Panele słoneczne na sterydach – kwantowa kropka to przyszłość
Właśnie to budzi największe zainteresowanie fizyków pracujących przy projekcie BASE. Dotychczasowe pomiary wskazują na niezwykłą zgodność między materią a antymaterią – różnice są mierzalne dopiero na poziomie jednej części na miliard. Niewielka rozbieżność w zachowaniu protonu i antyprotonu mogłaby jednak wytłumaczyć, dlaczego Wszechświat, który obserwujemy wokół siebie, zbudowany jest niemal wyłącznie z materii.
Nowy etap eksperymentów z użyciem kubitu antyprotonowego pozwoli na znaczne zwiększenie dokładności pomiarów. Wszystko to umożliwi przeprowadzenie zaawansowanej spektroskopii kwantowej zarówno na materii, jak i antymaterii, osiągając precyzję nawet 100-krotnie wyższą niż obecnie.
Przyszłość badań antymaterii nie ogranicza się do CERN-u. Kolejnym krokiem będzie projekt BASE-STEP, czyli mobilne pułapki Penninga umożliwiające transport antyprotonów do specjalistycznych laboratoriów na całym świecie. Dzięki temu fizycy zyskają możliwość prowadzenia eksperymentów w znacznie bardziej kontrolowanych warunkach, bez zakłóceń wywołanych zmianami pola magnetycznego, charakterystycznymi dla gigantycznych instalacji CERN.
Co istotne, główną autorką tego rozwiązania jest polska fizyczka Barbara Latacz z instytutu RIKEN. Według niej, wdrożenie przenośnych pułapek Penninga pozwoli na dziesięciokrotne zwiększenie czasu koherencji kwantowej antyprotonów, co radykalnie rozszerzy nasze możliwości badania właściwości antymaterii.
Być może, również dzięki ogromnemu wkładowi Polki, uda nam się rozwiązać jedną z największych zagadek fizyki – kwestię dominacji materii nad antymaterią.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
