Các nhà vật lý tại Đại học Northwestern đã bẫy một positron, phản hạt của electron, và giữ nó trong nhiều tháng trong khi đọc các trạng thái lượng tử của nó từng bước nhảy một.
Công trình, được công bố trên Physical Review Letters ngày 21 tháng 10, mô tả "cyclotron lượng tử một positron" đầu tiên. Gerald Gabrielse, giáo sư vật lý, dẫn đầu nhóm; Thomas Myers, nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của ông, là tác giả chính.
Tại sao phản vật chất khó giữ
Một positron biến mất ngay khi gặp vật chất thông thường. Để nghiên cứu nó, phải làm chậm, bắt giữ và giữ nó tránh xa mọi bề mặt. Nhóm đã thu thập các positron sinh ra trong phân rã phóng xạ, làm chậm chúng và nạp một hạt duy nhất vào bẫy Penning: một tập hợp điện trường và từ trường bên trong một hộp chân không kín.
Việc nạp mất từ tám đến mười một giờ. Sau khi bị bắt, hạt lưu lại trong nhiều tháng, điều này khiến các phép đo lặp lại trở nên khả thi.
Lạnh đủ để thấy các bước lượng tử
Một tủ lạnh pha loãng làm mát bẫy xuống khoảng 300 millikelvin, một phần nhỏ của độ trên độ không tuyệt đối. Ở nhiệt độ đó, chuyển động tròn của positron lắng xuống mức lượng tử thấp nhất, nên mỗi bước lên hoặc xuống có thể được kích thích bằng vi sóng và phát hiện như một dịch chuyển nhỏ về tần số.
Kỹ thuật tương tự mất khoảng 20 năm để nhóm hoàn thiện với một electron duy nhất. Làm điều đó với phản vật chất thêm một vấn đề: chân không phải đủ tốt để hạt không bao giờ chạm vào một nguyên tử lạc, và bẫy phải ổn định trong nhiều tháng mà không cần điều chỉnh.
Phép đo còn ở phía trước
Mômen từ của electron đã được đo đến khoảng một phần mười nghìn tỷ, một trong những con số chính xác nhất trong vật lý. Gabrielse giờ dự định thực hiện phép đo tương tự cho positron, rồi so sánh trực tiếp.
So sánh đó kiểm tra đối xứng CPT, quy tắc rằng vật chất và phản vật chất phải hành xử giống hệt nhau khi đảo ngược điện tích, chẵn lẻ và thời gian. Nếu hai mômen từ khác nhau, sự khác biệt sẽ chỉ ra vật lý vượt ngoài mô hình chuẩn và có thể giúp giải thích tại sao vũ trụ được tạo thành từ vật chất với gần như không còn phản vật chất.