Un positron, capturat și controlat timp de luni într-o capcană cuantică
Fizicienii au reușit pentru prima dată să aducă un singur positron — particula de antimaterie corespondentă electronului — într-o stare cuantică controlată cu precizie extremă. După ce au capturat particula rapidă rezultată din dezintegrarea radioactivă, cercetătorii au răcit-o până aproape de zero absolut și au suspendat-o într-un vid aproape perfect, împiedicând-o să atingă materia obișnuită, contact care ar fi dus la dispariția ei.
Prin această combinație de captare și răcire, oamenii de știință au creat ceea ce numesc un „ciclotron cuantic cu un singur positron”. În această stare, positronul se comportă în mare măsură ca un atom artificial, cu niveluri de energie cuantică pe care specialiștii le pot controla și observa cu precizie.
Avansul ar putea permite cel mai riguros test de până acum al unei simetrii fundamentale dintre electroni și omologii lor de antimaterie. Conform Modelului Standard al fizicii particulelor, electronii și positronii ar trebui să fie imagini în oglindă aproape perfecte unul față de celălalt. Măsurând proprietățile magnetice ale positronului cu o precizie fără precedent și comparându-le cu cele ale electronului, fizicienii ar putea supune această simetrie celui mai sever test de până acum.
Dacă măsurătorile nu se potrivesc așa cum ar prezice teoria, rezultatul ar dezvălui o fisură în Modelul Standard și ar oferi indicii noi despre mistere vechi, inclusiv despre motivul pentru care materia obișnuită, și nu antimateria, domină universul.
O capcană fără pereți
Tot ce se află pe Pământ este construit din trei particule familiare: electroni, protoni și neutroni. Un univers de antimaterie ar putea fi construit, în schimb, din corespondentele lor: positroni, antiprotoni și antineutroni. Dacă tot ce există pe Pământ ar fi antimaterie, diferența ar fi extrem de greu de observat. „Focul de artificii” apare atunci când cele două lumi se întâlnesc: când un electron întâlnește un positron, cele două se anihilează.
De aceea, oamenii de știință nu pot pur și simplu să pună un positron într-un recipient obișnuit, pentru că atingerea pereților ar însemna sfârșitul particulei. Echipa a folosit o capcană de ultimă generație, care combină câmpuri electrice și magnetice specializate pentru a suspenda positronul în spațiu gol. Aflat în mijlocul dispozitivului, positronul nu atinge nimic, iar datorită acestei configurații a rămas captiv timp de mai multe luni.
De la viteză la repaus
Capturarea positronului a fost ea însăși o provocare. Positronii pot fi produși în timpul dezintegrării radioactive a anumitor nuclee atomice; în acest experiment au fost folosite nuclee de sodiu-22, un izotop radioactiv rar al sodiului. La ieșirea din nuclee, particulele transportă cantități uriașe de energie. Echipa a încetinit mai întâi positronul în mod dramatic și apoi l-a ghidat în vidul aproape perfect al capcanei, al cărei interior este răcit la aproximativ 300 de milikelvini, adică doar 0,3 grade deasupra zero absolut.
Răcirea permite positronului să ajungă în starea sa cuantică fundamentală, iar particula foarte rapidă a putut fi determinată să rămână în capcană și să se comporte stabil timp de luni întregi.
Testul suprem
Cercetătorii au demonstrat de asemenea că pot manipula și detecta cu precizie stările individuale de energie cuantică ale positronului. Prin aplicarea unor microunde calibrate cu grijă, ei au adăugat cantități minuscule și precise de energie particulei și au detectat tranzițiile cuantice rezultate. Acest nivel de control este esențial pentru obiectivul final: măsurarea proprietăților magnetice ale positronului cu o precizie extraordinară și compararea lor cu cele ale electronului.
În lucrări anterioare, aceeași echipă a folosit un ciclotron cuantic cu un singur electron pentru a măsura momentul magnetic al electronului la aproximativ o parte la 10 trilioane — una dintre cele mai precise măsurători făcute vreodată asupra unei particule elementare. Acum, cercetătorii intenționează să realizeze aceeași măsurătoare cuantică pentru positron și apoi să pună cele două rezultate față în față.
Teoriile actuale sugerează că nu va exista nicio diferență între cele două măsurători. Dacă însă valorile nu vor fi egale, ar fi cea mai mare descoperire din fizică din ultimul secol, notează echipa, care își propune astfel să afle unde se rupe teoria și de ce universul există așa cum îl cunoaștem.
