Fysikere ved Northwestern University har fanget en enkelt positron, elektronens antistof-tvilling, og holdt den i månedsvis, mens de aflæste dens kvantetilstande ét spring ad gangen.
Arbejdet, der blev offentliggjort i Physical Review Letters den 21. oktober, beskriver den første "enkelt-positron-kvantecyklotron". Gerald Gabrielse, professor i fysik, ledede holdet; Thomas Myers, ph.d.-studerende i hans laboratorium, er førsteforfatter.
Hvorfor antistof er svært at holde fast
En positron forsvinder i det øjeblik, den møder almindeligt stof. For at studere en skal den bremses, indfanges og holdes væk fra enhver overflade. Holdet indsamlede positroner dannet ved radioaktivt henfald, bremsede dem og indlæste en enkelt partikel i en Penning-fælde: et sæt elektriske og magnetiske felter inde i en forseglet vakuumbeholder.
Indlæsningen tager mellem otte og elleve timer. Når partiklen først er fanget, blev den i månedsvis, og det er det, der gør gentagne målinger mulige.
Koldt nok til at se kvantespring
Et fortyndingskøleskab afkølede fælden til omkring 300 millikelvin, en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt. Ved den temperatur falder positronens cirkelbevægelse til sit laveste kvanteniveau, så hvert spring op eller ned kan drives med mikrobølger og registreres som et lille frekvensskift.
Den samme teknik tog gruppen omkring 20 år at perfektionere med en enkelt elektron. At gøre det med antistof tilføjer et problem: vakuumet skal være godt nok til, at partiklen aldrig rører et fremmedatom, og fælden skal være stabil i månedsvis uden justering.
Målingen, der stadig mangler
Elektronens magnetiske moment er målt til omkring én del i ti billioner, blandt de mest præcise tal i fysikken. Gabrielse planlægger nu den samme måling for positronen og derefter en direkte sammenligning.