Cum ar putea un „ciclotron cu un singur positron” să testeze o predicție-cheie a Modelului Standard
Positronul este perechea de antimaterie a electronului: are aceeași masă, dar o sarcină electrică egală și opusă. La fel ca electronul, se comportă și ca un mic magnet, iar conform unei predicții centrale ale Modelului Standard al fizicii particulelor, momentul său magnetic ar trebui să fie exact egal și opus celui al electronului.
O echipă de cercetători de la Northwestern University din Illinois, condusă de Gerald Gabrielse, a prezentat o nouă metodă promițătoare de a verifica această ipoteză, prin captarea unui singur positron într-un „ciclotron cuantic”. Rezultatele au fost publicate în Physical Review Letters.
O diferență uriașă de precizie
Predicția derivă din principiul numit simetrie CPT. Acesta afirmă că, dacă am înlocui fiecare particulă cu antiparticula sa (C), am transforma universul în imaginea sa oglindită (P) și am rula timpul invers (T), toate simultan, legile fizicii ar rămâne neschimbate. Unul dintre cele mai sensibile teste ale acestui principiu ar fi compararea momentului magnetic al positronului cu cel al electronului. Orice diferență între cele două valori ar indica o fizică nouă, dincolo de Modelul Standard.
Totuși, în timp ce măsurătorile pentru electron au atins o precizie de aproximativ o parte la 10 trilioane, cea mai bună comparație pentru positron este cu mai multe ordine de mărime mai puțin precisă. Principalul obstacol este aducerea unui positron într-un mediu suficient de izolat și de rece pentru măsurători mult mai precise.
Cum a fost captat positronul
Pentru studiul lor, echipa lui Gabrielse a pornit de la pozitroni proveniți dintr-o sursă radioactivă de sodiu, care îi emite la viteze extrem de mari, și i-a încetinit apoi dramatic. Pentru a reține un singur positron, cercetătorii l-au lăsat mai întâi să se cupleze cu un electron și să formeze un atom neutru din punct de vedere electric, numit positroniu, care a fost apoi descompus în interiorul capcanei, lăsând positronul în urmă.
Antiparticula a fost ținută într-o „capcană Penning”, care folosește câmpuri electrice și magnetice pentru a menține particula în mișcare circulară pe loc, asemenea unei versiuni miniaturale a ciclotroanelor utilizate în acceleratoarele de particule. Capcana a fost răcită la doar o fracțiune de grad peste zero absolut, permițând positronului să ajungă în starea sa de mișcare circulară cu cea mai joasă energie.
Sondarea Modelului Standard
Odată ce energia positronului a fost împărțită în trepte distincte și clar separate, echipa a putut să îl deplaseze în sus și în jos, câte o treaptă odată, folosind microunde, și să urmărească inversările spinului său, proprietatea legată de magnetism. Citirea acestor stări s-a făcut prin monitorizarea unor mici variații ale mișcării de balansare a positronului în capcană, ceea ce le-a permis să detecteze atât mișcarea, cât și spinul fără a le perturba.
Odată captat, positronul poate fi păstrat timp de mai multe luni. Acest lucru deschide calea pentru experimente viitoare care ar putea măsura momentul său magnetic cu o precizie comparabilă cu măsurătorile existente pentru electron, posibil de aproximativ 30 de ori mai bună decât înainte. La rândul său, această primă demonstrație a unui „ciclotron cuantic cu un singur positron” ar putea permite cele mai riguroase teste de până acum ale simetriei CPT și o modalitate nouă și puternică de a sonda predicțiile Modelului Standard.
