فيزيائيون يحتجزون بوزيترونًا واحدًا لشهور في سيكلوترون كمي

تمكن فريق من الفيزيائيين في جامعة نورث وسترن من اصطياد بوزيترون واحد، وهو الجسيم المضاد للإلكترون، وإبقائه معلقًا لعدة أشهر. ونُشرت النتائج في مجلة Physical Review Letters، ووصف الباحثون جهازهم بأنه «سيكلوترون كمي لبوزيترون واحد».

تُعد المادة المضادة كابوسًا تجريبيًا، فبمجرد ملامستها للمادة العادية تفنيان معًا في وميض من الطاقة، ما يجعل عزلها من أكبر التحديات التقنية في العلم الحديث. ويقول قائد البحث جيرالد غابرييلس إنه إذا تبين أن الإلكترون والبوزيترون غير متطابقين، فسيكون ذلك «أكبر اكتشاف في الفيزياء خلال القرن الأخير».

كيف يُصطاد البوزيترون

يصدر البوزيترون من مصدر مشع من الصوديوم-22 بطاقة هائلة. ولدراسته يبرد العلماء الجسيم إلى 300 ملي كلفن، أي جزء ضئيل من الدرجة فوق الصفر المطلق، وهو ما يعني خفض طاقته بأكثر من عشر رتب قدر في وقت قصير جدًا.

أصعب المراحل هي إدخاله في فخ مغناطيسي. فيسمح الباحثون للبوزيترون بالاتحاد لفترة وجيزة مع إلكترون ليكوّنا البوزيترونيوم، وهو ذرة غريبة متعادلة كهربائيًا. ولأنها بلا شحنة، تمر عبر ثقب لا يتجاوز قطره 625 ميكرومترًا إلى الفخ، حيث يؤين مجال كهربائي قوي الذرة فيبقى البوزيترون محتجزًا. ويستغرق تحميل بوزيترون واحد ما بين 8 و11 ساعة.

لماذا كل هذا الجهد

وفق النموذج القياسي، كان يفترض أن ينتج الانفجار العظيم كمية متساوية من المادة والمادة المضادة، لكن الكون اليوم مكوّن من المادة. ويبحث الفيزيائيون منذ عقود عن الفارق الذي كسر هذا التناظر. ويفترض أن يتطابق الإلكترون والبوزيترون في الكتلة والعزم المغناطيسي (عامل g) مع اختلاف الإشارة.

وفي 2023 قاس الفريق نفسه عامل g للإلكترون بدقة 0.13 جزء من التريليون. أما الرقم القياسي الحالي لمقارنة الإلكترون بالبوزيترون فيعود إلى 1987 بدقة 2.1 جزء من التريليون. ومع السيكلوترون الجديد يقدّر الباحثون أنهم سيحسّنون دقة قياس العزم المغناطيسي للبوزيترون نحو 30 مرة.

حتى الآن ثبت أن الجهاز يعمل، لكن القياس عالي الدقة لم يتم بعد، وهو ما سيتيح مقارنة الجسيمين بصرامة غير مسبوقة.