Fysiker vid Northwestern University har fångat en enda positron, elektronens antimateriatvilling, och hållit den i månader medan de läst av dess kvanttillstånd ett språng i taget.
Arbetet, som publicerades i Physical Review Letters den 21 oktober, beskriver den första "kvantcyklotronen med en positron". Gerald Gabrielse, professor i fysik, ledde teamet; Thomas Myers, doktorand i hans laboratorium, är försteförfattare.
Varför antimateria är svårt att hålla
En positron försvinner i samma ögonblick som den möter vanlig materia. För att studera en måste den bromsas in, fångas och hållas borta från varje yta. Teamet samlade positroner som bildas vid radioaktivt sönderfall, bromsade in dem och laddade en enda partikel i en Penning-fälla: en uppsättning elektriska och magnetiska fält inuti en förseglad vakuumbehållare.
Laddningen tar mellan åtta och elva timmar. När partikeln väl fångats stannade den i månader, vilket är det som gör upprepade mätningar möjliga.
Tillräckligt kall för att se kvantsprång
En utspädningskylare kylde fällan till cirka 300 millikelvin, en bråkdel av en grad över absoluta nollpunkten. Vid den temperaturen sjunker positronens cirkelrörelse till sin lägsta kvantnivå, så varje steg upp eller ner kan drivas med mikrovågor och detekteras som en liten frekvensförskjutning.
Samma teknik tog gruppen cirka 20 år att fullända med en enda elektron. Att göra det med antimateria tillför ett problem: vakuumet måste vara tillräckligt bra för att partikeln aldrig ska röra vid en främmande atom, och fällan måste vara stabil i månader utan justering.
Mätningen som återstår
Elektronens magnetiska moment har mätts till cirka en del på tio biljoner, ett av de mest exakta talen i fysiken. Gabrielse planerar nu samma mätning för positronen, sedan en direkt jämförelse.
Den jämförelsen testar CPT-symmetri, regeln att materia och antimateria bör bete sig identiskt när laddning, paritet och tid vänds. Om de två magnetiska momenten skiljer sig skulle skillnaden peka mot fysik bortom standardmodellen och kunna bidra till att förklara varför universum består av materia med nästan ingen antimateria kvar.
Teamet har ännu inte hittat någon sådan skillnad. För närvarande är resultatet kontroll: en antipartikel, hållen tillräckligt stilla för att observeras, och en mätplattform som inte fanns tidigare.