Northwestern-yliopiston fyysikot ovat vanginneet yksittäisen positronin, elektronin antihiukkasen, ja pitäneet sitä kuukausia lukien sen kvanttitiloja yksi hyppy kerrallaan.
Physical Review Letters -lehdessä 21. lokakuuta julkaistu työ kuvaa ensimmäisen "yhden positronin kvanttisyklotronin". Fysiikan professori Gerald Gabrielse johti ryhmää; hänen laboratorionsa tohtoriopiskelija Thomas Myers on ensimmäinen kirjoittaja.
Miksi antihiukkasen pitäminen on vaikeaa
Positroni katoaa heti kohdatessaan tavallista ainetta. Sen tutkimiseksi se on hidastettava, vangittava ja pidettävä erossa kaikista pinnoista. Ryhmä keräsi radioaktiivisessa hajoamisessa syntyneitä positroneja, hidasti niitä ja latasi yhden hiukkasen Penningin loukkuun: joukko sähkö- ja magneettikenttiä suljetun tyhjiöastian sisällä.
Lataaminen kestää kahdeksasta yhteentoista tuntia. Vangittuna hiukkanen pysyi kuukausia, mikä mahdollistaa toistuvat mittaukset.
Tarpeeksi kylmä kvanttiaskelten näkemiseen
Laimennusjääkaappi jäähdytti loukun noin 300 millikelviniin, murto-osaan absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Siinä lämpötilassa positronin ympyräliike asettuu alimpaan kvanttitasoonsa, joten jokainen askel ylös tai alas voidaan ajaa mikroaalloilla ja havaita pieneksi taajuuden siirtymäksi.
Samalta tekniikalta ryhmältä kesti noin 20 vuotta hioa se täydelliseksi yksittäisellä elektronilla. Antihiukkasen kanssa tehtynä lisäongelmana on, että tyhjiön on oltava riittävän hyvä, ettei hiukkanen koskaan kosketa irrallista atomia, ja loukun on oltava vakaa kuukausia ilman säätöä.
Mittaus, joka on vielä tulossa
Elektronin magneettinen momentti on mitattu noin yhden osan tarkkuudella kymmenestä biljoonasta – yhtenä fysiikan tarkimmista luvuista. Gabrielse suunnittelee nyt samaa mittausta positronille ja sitten suoraa vertailua.
Tämä vertailu testaa CPT-symmetriaa, sääntöä, jonka mukaan aineen ja antihiukkasen tulisi käyttäytyä identtisesti, kun varaus, pariteetti ja aika käännetään. Jos kahden magneettisen momentin välillä on ero, se viittaisi standardimallin ulkopuoliseen fysiikkaan ja voisi auttaa selittämään, miksi maailmankaikkeus koostuu aineesta, jossa antihiukkasia on tuskin jäljellä.
Ryhmä ei ole vielä löytänyt tällaista eroa. Toistaiseksi tulos on hallinta: yksi antihiukkanen, pidettynä paikallaan tarpeeksi katsottavaksi, ja mittausalusta, jota ei ollut aiemmin olemassa.