Fizycy z Northwestern University uwięzili pojedynczy pozyton, antymateryjny odpowiednik elektronu, i utrzymywali go przez miesiące, odczytując jego stany kwantowe skok po skoku.
Praca opublikowana 21 października w „Physical Review Letters" opisuje pierwszy „jednopozytonowy cyklotron kwantowy". Zespołem kierował Gerald Gabrielse, profesor fizyki; pierwszym autorem jest Thomas Myers, doktorant w jego laboratorium.
Dlaczego antymaterię trudno utrzymać
Pozyton znika w chwili zetknięcia ze zwykłą materią. Aby go badać, trzeba go spowolnić, schwytać i trzymać z dala od każdej powierzchni. Zespół zbierał pozytony powstające w rozpadzie promieniotwórczym, spowalniał je i ładował pojedynczą cząstkę do pułapki Penninga: zestawu pól elektrycznych i magnetycznych w zamkniętej próżniowej puszce.
Ładowanie trwa od ośmiu do jedenastu godzin. Po schwytaniu cząstka pozostawała przez miesiące, co umożliwia powtarzane pomiary.
Wystarczająco zimno, by widzieć skoki kwantowe
Chłodziarka rozcieńczalnikowa schłodziła pułapkę do około 300 milikelwinów, ułamka stopnia powyżej zera absolutnego. W tej temperaturze ruch po okręgu pozytonu osiada na najniższym poziomie kwantowym, więc każdy skok w górę lub w dół można wywołać mikrofalami i wykryć jako niewielkie przesunięcie częstotliwości.
Ta sama technika zajęła grupie około 20 lat, by ją dopracować dla pojedynczego elektronu. Z antymaterią dochodzi problem: próżnia musi być wystarczająco dobra, by cząstka nigdy nie dotknęła zabłąkanego atomu, a pułapka musi być stabilna przez miesiące bez regulacji.
Pomiar, który dopiero nadejdzie
Moment magnetyczny elektronu zmierzono z dokładnością około jednej części na bilion, co należy do najprecyzyjniejszych liczb w fizyce. Gabrielse planuje teraz ten sam pomiar dla pozytonu, a następnie bezpośrednie porównanie.
To porównanie testuje symetrię CPT, zasadę, że materia i antymateria powinny zachowywać się identycznie przy odwróceniu ładunku, parzystości i czasu. Gdyby momenty magnetyczne się różniły, różnica wskazywałaby na fizykę poza modelem standardowym i mogłaby pomóc wyjaśnić, dlaczego wszechświat składa się z materii z niemal zerową ilością antymaterii.
Zespół nie znalazł dotąd takiej różnicy. Na razie wynikiem jest kontrola: jedna antycząstka, utrzymana w bezruchu na tyle, by ją obserwować, i platforma pomiarowa, która wcześniej nie istniała.