Jedna čestica antimaterije može mjesecima ostati zarobljena u laboratorijskoj zamci, a fizičari sada mogu precizno pratiti i mijenjati njezina kvantna stanja. Tim sa Sveučilišta Northwestern ostvario je takvu kontrolu nad pojedinačnim pozitronom, antičesticom elektrona, i time otvorio put znatno preciznijem testu odnosa između tvari i antimaterije.
Novost nije samo u dugom zadržavanju čestice. Istraživači su njezino kružno gibanje u magnetskom polju ohladili do najnižeg kvantnog stanja, zatim pobuđivali prijelaze između razina energije i mjerili ih. Takav sustav nazivaju kvantnim ciklotronom s jednim pozitronom.
Zamka u kojoj čestica ne dodiruje stijenke
Pozitron ima jednaku masu kao elektron, ali pozitivan električni naboj. Pri susretu s elektronom obje se čestice mogu anihilirati, pri čemu njihova energija prelazi u zračenje. Zato dugotrajno čuvanje pozitrona zahtijeva iznimno dobar vakuum i način zadržavanja koji ga odvaja od stijenki aparature.
U radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters T. G. Myers, Gerald Gabrielse i suradnici opisuju Penningovu zamku. Ona kombinira električno i magnetsko polje kako bi zadržala nabijenu česticu u malom području prostora. U eksperimentu je magnetsko polje iznosilo 5,6 tesla.
Elektrode i zatvoreni vakuumski prostor oko čestice ohlađeni su na približno 0,3 kelvina, odnosno oko 273 Celzijeva stupnja ispod ništice. Hlađenje smanjuje toplinsko zračenje koje bi remetilo kvantno stanje, a ujedno pomaže ukloniti preostale molekule plina. Sudar s njima mogao bi prekinuti eksperiment.
Pozitron potječe iz radioaktivnog raspada natrija-22. Prije preciznog mjerenja treba ga usporiti, uhvatiti i ohladiti. Autori navode da postupak hvatanja jednog pozitrona traje otprilike osam do jedanaest sati. Kada je čestica jednom zarobljena, mogu je zadržati mjesecima.
Kvantni skokovi koje mogu vidjeti i izazvati
Gibanje čestice u magnetskom polju ne može imati bilo koju energiju. Dopuštene su odvojene kvantne razine, a prelazak s jedne na drugu mijenja energiju za određenu količinu. Istraživači su mikrovalnim pobudama izazivali takve prijelaze i pratili povratak u niža stanja.
Pritom su upotrijebili mjernu metodu koja očitava ciklotronsko i spinsko stanje, a da ih samo očitavanje ne promijeni. Spin je unutarnje kvantno svojstvo čestice povezano s njezinim magnetskim ponašanjem. Razlučivanje obiju vrsta stanja ključno je za buduće precizno mjerenje magnetskog momenta pozitrona.
Najniže stanje gibanja ne znači da je čestica apsolutno nepomična. Također, višemjesečno čuvanje pozitrona nije isto što i višemjesečno trajanje svakog pobuđenog stanja. Posebno oblikovana šupljina zamke usporava emisiju zračenja, dajući istraživačima više vremena da očitaju pobudu prije njezina raspada.
Usporedba koja tek slijedi
Magnetski moment opisuje kako se čestica ponaša u magnetskom polju. Za elektron je već izmjeren iznimno precizno. Nova kontrola pozitrona omogućila bi da se usporedivo mjerenje napravi i s njegovom antičesticom.
Prema simetriji CPT, jednom od temeljnih načela suvremene fizike čestica, magnetski momenti elektrona i pozitrona trebali bi imati jednaku veličinu i suprotan predznak. Pouzdano utvrđeno odstupanje od tog odnosa zahtijevalo bi preispitivanje teorije.
Autori procjenjuju da bi, uz daljnju optimizaciju aparature i pažljivo utvrđivanje mjernih nesigurnosti, takav test u sektoru leptona, skupini čestica kojoj pripadaju elektron i pozitron, mogao biti više od 30 puta precizniji od dosadašnjih. Taj rezultat još nije ostvaren: sadašnji rad pokazuje da mogu pripremiti i očitati kvantna stanja potrebna za mjerenje. Sljedeći je zadatak iz tih stanja dobiti dovoljno preciznu vrijednost magnetskog momenta.
