Físicos da Universidade Northwestern prenderam um único pósitron, a contraparte de antimatéria do elétron, e o mantiveram por meses enquanto liam seus estados quânticos um salto de cada vez.
O trabalho, publicado na Physical Review Letters em 21 de outubro, descreve o primeiro "ciclótron quântico de um pósitron". Gerald Gabrielse, professor de física, liderou a equipe; Thomas Myers, estudante de doutorado em seu laboratório, é o primeiro autor.
Por que a antimatéria é difícil de manter
Um pósitron desaparece no instante em que encontra matéria comum. Para estudá-lo, é preciso desacelerá-lo, capturá-lo e mantê-lo longe de qualquer superfície. A equipe coletou pósitrons produzidos em decaimento radioativo, desacelerou-os e carregou uma única partícula em uma armadilha de Penning: um conjunto de campos elétricos e magnéticos dentro de um recipiente de vácuo selado.
O carregamento leva entre oito e onze horas. Uma vez capturada, a partícula permaneceu por meses, o que torna possíveis as medições repetidas.
Frio o suficiente para ver degraus quânticos
Um refrigerador de diluição resfriou a armadilha a cerca de 300 milikelvins, uma fração de grau acima do zero absoluto. Nessa temperatura, o movimento circular do pósitron se acomoda em seu nível quântico mais baixo, de modo que cada passo para cima ou para baixo pode ser induzido com micro-ondas e detectado como um pequeno deslocamento de frequência.
A mesma técnica levou cerca de 20 anos para o grupo aperfeiçoar com um único elétron. Fazer isso com antimatéria acrescenta um problema: o vácuo precisa ser bom o suficiente para que a partícula nunca toque um átomo perdido, e a armadilha precisa ser estável por meses sem ajustes.
A medição ainda por vir
O momento magnético do elétron foi medido com precisão de cerca de uma parte em dez trilhões, um dos números mais precisos da física. Gabrielse agora planeja a mesma medição para o pósitron, e depois uma comparação direta.
Essa comparação testa a simetria CPT, a regra de que matéria e antimatéria devem se comportar de forma idêntica quando carga, paridade e tempo são invertidos. Se os dois momentos magnéticos diferirem, a diferença apontaria para uma física além do modelo padrão e poderia ajudar a explicar por que o universo é feito de matéria com quase nenhuma antimatéria restante.
A equipe ainda não encontrou tal diferença. Por enquanto, o resultado é controle: uma antipartícula, mantida imóvel o suficiente para ser observada, e uma plataforma de medição que não existia antes.