วิทยาศาสตร์

นักฟิสิกส์กักโพซิตรอนเดี่ยวไว้ในกับดักได้นานหลายเดือน

6 ยอดเข้าชม

นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์นกักโพซิตรอน ซึ่งเป็นคู่ปฏิสสารของอิเล็กตรอน ไว้ได้หนึ่งตัวและเก็บไว้หลายเดือนพร้อมอ่านสถานะควอนตัมทีละการกระโดด

งานวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อวันที่ 21 ตุลาคม อธิบายถึง "ไซโคลตรอนควอนตัมแบบโพซิตรอนเดี่ยว" เป็นครั้งแรก เจอรัลด์ กาเบรียลส์ ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ เป็นหัวหน้าทีม และโทมัส ไมเยอร์ส นักศึกษาปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของเขาเป็นผู้เขียนคนแรก

ทำไมปฏิสสารจึงกักไว้ได้ยาก

โพซิตรอนจะหายไปทันทีที่พบกับสสารธรรมดา การจะศึกษาโพซิตรอนหนึ่งตัวได้นั้นต้องทำให้มันช้าลง จับไว้ และเก็บให้ห่างจากทุกพื้นผิว ทีมเก็บโพซิตรอนที่เกิดจากการสลายกัมมันตรังสี ทำให้ช้าลง และบรรจุอนุภาคเดี่ยวเข้าไปในกับดักเพนนิง ซึ่งเป็นชุดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กภายในกระป๋องสุญญากาศปิดผนึก

การบรรจุใช้เวลาระหว่างแปดถึงสิบเอ็ดชั่วโมง เมื่อถูกจับได้แล้ว อนุภาคยังคงอยู่ได้หลายเดือน ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้การวัดซ้ำๆ เป็นไปได้

เย็นพอที่จะเห็นขั้นควอนตัม

ตู้เย็นเจือจางทำให้กับดักเย็นลงถึงประมาณ 300 มิลลิเคลวิน ซึ่งสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์เพียงเศษเสี้ยวองศา ที่อุณหภูมินั้น การเคลื่อนที่แบบวงกลมของโพซิตรอนเข้าสู่ระดับควอนตัมต่ำสุด ดังนั้นแต่ละขั้นขึ้นหรือลงจึงสามารถกระตุ้นด้วยไมโครเวฟและตรวจจับได้จากการเลื่อนความถี่เล็กน้อย

เทคนิคเดียวกันนี้ทีมใช้เวลาประมาณ 20 ปีในการทำให้สมบูรณ์แบบกับอิเล็กตรอนเดี่ยว การทำกับปฏิสสารเพิ่มปัญหาหนึ่ง นั่นคือสุญญากาศต้องดีพอที่อนุภาคจะไม่สัมผัสอะตอมแปลกปลอมเลย และกับดักต้องเสถียรเป็นเวลาหลายเดือนโดยไม่ต้องปรับแต่ง

การวัดที่ยังต้องรอ

โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนได้รับการวัดความแม่นยำถึงประมาณหนึ่งในสิบล้านล้าน ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวเลขที่แม่นยำที่สุดในฟิสิกส์ กาเบรียลส์วางแผนจะวัดแบบเดียวกันกับโพซิตรอน แล้วจึงเปรียบเทียบกันโดยตรง

การเปรียบเทียบนั้นทดสอบสมมาตร CPT ซึ่งเป็นกฎที่ว่าสสารและปฏิสสารควรมีพฤติกรรมเหมือนกันเมื่อกลับประจุ พาริตี และเวลา หากโมเมนต์แม่เหล็กทั้งสองต่างกัน ความแตกต่างนั้นจะชี้ไปยังฟิสิกส์ที่อยู่เหนือแบบจำลองมาตรฐาน และอาจช่วยอธิบายว่าทำไมเอกภพจึงประกอบด้วยสสารโดยแทบไม่เหลือปฏิสสารเลย

ทีมยังไม่พบความแตกต่างดังกล่าว ในตอนนี้ผลลัพธ์คือการควบคุม อนุภาคปฏิสสารหนึ่งตัวที่ถูกตรึงไว้นิ่งพอที่จะเฝ้าดู และแพลตฟอร์มการวัดที่ไม่เคยมีมาก่อน

แหล่งที่มา: Northwestern University / Physical Review Letters