I fisici della Northwestern University hanno intrappolato un singolo positrone, il gemello di antimateria dell'elettrone, e lo hanno tenuto per mesi leggendo i suoi stati quantistici un salto alla volta.
Il lavoro, pubblicato su Physical Review Letters il 21 ottobre, descrive il primo "ciclotrone quantistico a un positrone". Gerald Gabrielse, professore di fisica, ha guidato il team; Thomas Myers, dottorando del suo laboratorio, è il primo autore.
Perché l'antimateria è difficile da trattenere
Un positrone scompare nell'istante in cui incontra materia ordinaria. Per studiarne uno, bisogna rallentarlo, catturarlo e tenerlo lontano da ogni superficie. Il team ha raccolto positroni prodotti dal decadimento radioattivo, li ha rallentati e ha caricato una singola particella in una trappola di Penning: un insieme di campi elettrici e magnetici dentro un contenitore a vuoto sigillato.
Il caricamento richiede tra le otto e le undici ore. Una volta catturata, la particella è rimasta per mesi, ed è questo che rende possibili misurazioni ripetute.
Abbastanza freddo da vedere i salti quantistici
Un refrigeratore a diluizione ha portato la trappola a circa 300 millikelvin, una frazione di grado sopra lo zero assoluto. A quella temperatura il moto circolare del positrone si stabilizza nel suo livello quantistico più basso, così ogni salto verso l'alto o verso il basso può essere indotto con microonde e rilevato come un piccolo spostamento di frequenza.
La stessa tecnica ha richiesto al gruppo circa 20 anni per essere perfezionata con un singolo elettrone. Farlo con l'antimateria aggiunge un problema: il vuoto deve essere abbastanza buono che la particella non tocchi mai un atomo vagante, e la trappola deve restare stabile per mesi senza regolazioni.
La misurazione ancora da fare
Il momento magnetico dell'elettrone è stato misurato con una precisione di circa una parte su diecimila miliardi, tra i numeri più precisi della fisica. Gabrielse ora progetta la stessa misurazione per il positrone, poi un confronto diretto.
Quel confronto mette alla prova la simmetria CPT, la regola secondo cui materia e antimateria dovrebbero comportarsi in modo identico quando carica, parità e tempo sono invertiti. Se i due momenti magnetici differissero, la differenza indicherebbe una fisica oltre il modello standard e potrebbe aiutare a spiegare perché l'universo è fatto di materia con quasi nessuna antimateria rimasta.
Il team non ha ancora trovato una tale differenza. Per ora il risultato è il controllo: un'antiparticella, tenuta ferma abbastanza da essere osservata, e una piattaforma di misurazione che prima non esisteva.