احتجز فيزيائيون في جامعة نورث وسترن بوزيترونًا واحدًا، وهو التوأم المضاد للمادة للإلكترون، وأبقوه لأشهر مع قراءة حالاته الكمية قفزة تلو الأخرى.
ويصف العمل، المنشور في Physical Review Letters في 21 أكتوبر، أول "سيكلوترون كمي أحادي البوزيترون". وقاد الفريق جيرالد غابرييلس، أستاذ الفيزياء؛ وتوماس مايرز، طالب دكتوراه في مختبره، هو المؤلف الأول.
لماذا يصعب احتجاز المادة المضادة
يختفي البوزيترون في اللحظة التي يلتقي فيها بالمادة العادية. ولدراسته، يجب إبطاؤه والتقاطه وإبعاده عن كل سطح. وجمع الفريق بوزيترونات ناتجة عن التحلل الإشعاعي، وأبطأها، وحمّل جسيمًا واحدًا في مصيدة بنينغ: مجموعة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية داخل علبة مفرغة محكمة الإغلاق.
ويستغرق التحميل بين ثماني وإحدى عشرة ساعة. وبمجرد التقاطه، بقي الجسيم لأشهر، وهو ما يجعل القياسات المتكررة ممكنة.
بارد بما يكفي لرؤية الخطوات الكمية
برّدت ثلاجة تخفيف المصيدة إلى نحو 300 ملي كلفن، أي جزء من درجة فوق الصفر المطلق. وعند تلك الحرارة تستقر الحركة الدائرية للبوزيترون عند أدنى مستوى كمي لها، فيمكن دفع كل خطوة صعودًا أو هبوطًا بالموجات الدقيقة ورصدها كتحول صغير في التردد.
واستغرق إتقان التقنية نفسها مع إلكترون واحد نحو 20 عامًا. وإجراؤها مع المادة المضادة يضيف مشكلة: يجب أن يكون الفراغ جيدًا بما يكفي ألا يلمس الجسيم أبدًا ذرة شاردة، وأن تكون المصيدة مستقرة لأشهر دون تعديل.
القياس الذي لم يأت بعد
قيس العزم المغناطيسي للإلكترون بدقة نحو جزء واحد في عشرة تريليونات، وهو من أدق الأرقام في الفيزياء. ويعتزم غابرييلس الآن إجراء القياس نفسه للبوزيترون، ثم مقارنة مباشرة بينهما.
وتختبر تلك المقارنة تناظر CPT، وهو القاعدة القائلة إن المادة والمادة المضادة يجب أن تتصرفا بالطريقة نفسها عند عكس الشحنة والتكافؤ والزمن. وإذا اختلف العزمان المغناطيسيان، فسيشير الاختلاف إلى فيزياء تتجاوز النموذج القياسي وقد يساعد في تفسير لماذا يتكون الكون من مادة مع بقاء القليل جدًا من المادة المضادة.
ولم يجد الفريق مثل هذا الاختلاف بعد. والنتيجة الآن هي التحكم: جسيم مضاد واحد، ممسوك بثبات كافٍ للمراقبة، ومنصة قياس لم تكن موجودة من قبل.