Fizycy uwięzili pojedynczy pozyton na miesiące w cyklotronie

Zespół fizyków z Northwestern University zdołał uwięzić pojedynczy pozyton, czyli antycząstkę elektronu, i utrzymać go w zawieszeniu przez kilka miesięcy. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters. Autorzy opisują urządzenie jako „kwantowy cyklotron pojedynczego pozytonu”.

Antymateria to koszmar dla eksperymentatorów: w zetknięciu ze zwykłą materią obie anihilują w rozbłysku energii, więc utrzymanie jej w izolacji należy do największych wyzwań technicznych współczesnej nauki. Kierujący badaniami Gerald Gabrielse przekonuje, że jeśli okaże się, iż elektron i pozyton nie są identyczne, byłoby to „największe odkrycie w fizyce ostatniego stulecia”.

Jak złapać pozyton

Pozyton pochodzi z radioaktywnego źródła sodu-22 i powstaje z ogromną energią. Aby go badać, naukowcy muszą schłodzić go do 300 milikelwinów, czyli ułamka stopnia powyżej zera bezwzględnego. Oznacza to obniżenie energii o ponad dziesięć rzędów wielkości w bardzo krótkim czasie.

Najtrudniejszy etap to umieszczenie cząstki w pułapce magnetycznej. Pozyton łączy się na chwilę z elektronem w pozytonium, egzotyczny i elektrycznie obojętny atom. Dzięki braku ładunku przechodzi on przez otwór o średnicy zaledwie 625 mikrometrów do pułapki, gdzie silne pole elektryczne jonizuje atom i zostawia uwięziony pozyton. Załadowanie jednej cząstki trwa od 8 do 11 godzin.

Po co ten wysiłek

Według Modelu Standardowego Wielki Wybuch powinien wytworzyć tyle samo materii co antymaterii, tymczasem dzisiejszy Wszechświat składa się z materii. Fizycy od dziesięcioleci szukają różnicy, która wyjaśniłaby tę asymetrię. Elektron i pozyton powinny mieć tę samą masę i moment magnetyczny (czynnik g) o przeciwnym znaku.

W 2023 roku ten sam zespół zmierzył czynnik g elektronu z precyzją 0,13 części na bilion. Obowiązujący rekord porównania elektronu z pozytonem pochodzi z 1987 roku i wynosi 2,1 części na bilion. Dzięki nowemu cyklotronowi badacze szacują, że poprawią precyzję pomiaru momentu magnetycznego pozytonu około 30-krotnie.

Na razie wiadomo, że urządzenie działa, ale pomiaru o wysokiej precyzji jeszcze nie ma. To on pozwoli porównać obie cząstki dokładniej niż dotychczas.