Elf Stunden zum Laden, Monate zur Beobachtung
Physiker der Northwestern University haben ein einzelnes Positron – den Antimaterie-Zwilling des Elektrons – monatelang in einer Falle gehalten und seinen Quantenzustand Sprung für Sprung kontrolliert. Das Team nennt das Gerät ein „Ein-Positron-Quantenzyklotron". Die Ergebnisse erschienen am 21. Oktober in Physical Review Letters.
Das Teilchen an seinen Platz zu bringen, ist langsame Arbeit. Das Laden dauert zwischen acht und elf Stunden, weil die Falle ein Positron aus einer Quelle einfangen und abkühlen muss, ohne dass es gewöhnliche Materie berührt, in der es in einem Gammastrahlenblitz zerstrahlen würde. Einmal eingefangen, ruht es bei etwa 0,3 Kelvin in einem nahezu perfekten Vakuum, gehalten durch kombinierte elektrische und magnetische Felder.
Warum Antimaterie schwer zu halten ist
In einer kryogenen Penning-Falle ist die Bewegung des Positrons quantisiert. Das Team löste seine niedrigsten Zyklotron- und Spinzustände auf und nutzte Mikrowellen, um Energieniveaus anzuheben und den Spin umzukehren, wobei es auf winzige Frequenzverschiebungen achtete. Thomas Myers, Doktorand im Labor von Gerald Gabrielse, ist Erstautor. Gabrielse' Gruppe nutzte denselben Ansatz mit einem einzelnen Elektron, um das magnetische Moment des Elektrons auf etwa ein Zehntel Billionstel genau zu messen – eine der präzisesten Messungen, die je an einem Teilchen vorgenommen wurden.
Die noch ausstehende Messung
Dieser Vergleich ist der Kern der Sache. Das Standardmodell sagt voraus, dass ein Teilchen und sein Antimaterie-Zwilling magnetische Momente gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens haben sollten. Jede messbare Abweichung würde eine Symmetrie namens CPT brechen und könnte helfen zu erklären, warum das Universum so wenig Antimaterie enthält. Die neue Falle ermöglicht den Test, hat ihn aber noch nicht durchgeführt. Unabhängige Physiker bezeichnen die Plattform als leistungsfähige Sonde und nicht als fertiges Ergebnis.
Der nächste Schritt besteht darin, die Elektronenmessung mit dem Positron zu wiederholen und die beiden Zahlen nebeneinanderzustellen, mit einer Präzision, die entweder das Standardbild bestätigen oder einen Riss darin öffnen würde.