Токму тоа им успеало на физичарите од Универзитетот Нортвестерн во САД, кои за првпат успеале да заробат единечен позитрон – античестичката на електронот – и да го доведат во прецизно контролирана квантна состојба. Честичката може да остане заробена со месеци, без да дојде во контакт со обична материја.

Резултатите од истражувањето, предводено од физичарот Џералд Габриелсе, се објавени денес во Physical Review Letters.

Радијални распределби на веројатноста за позитрон во различни квантни состојби на неговото циклотронско движење: основна состојба (лево), прва возбудена состојба (средина) и втора возбудена состојба (десно). Слика: G. Gabrielse and L. Soucy/Northwestern University

Замка без физички ѕидови

Како да се чува честичка што не смее да допре до ѕидовите на ниту еден сад? Одговорот лежи во внимателно обликувани електрични и магнетни полиња.

Истражувачите користеле специјална замка во која позитронот се задржува во речиси совршен вакуум. Наместо физички прегради, неговото движење го ограничуваат електромагнетни полиња. Внатрешноста на системот се лади до околу 300 миликелвини, односно само 0,3 степени над апсолутната нула, најниската можна температура.

Позитроните во експериментот биле добиени при радиоактивното распаѓање на натриум-22. Бидејќи новосоздадените честички имаат висока енергија и се движат брзо, научниците најпрво морале значително да ги забават, а потоа да ги насочат во замката. Со ладењето, позитронот бил доведен во својата квантна основна состојба – состојба со најниска можна енергија.

Истражувачите го нарекуваат системот „еднопозитронски квантен циклотрон“, бидејќи овозможува контролирање и набљудување на квантните енергетски состојби на единечна честичка.

Огледало на електронот

Зошто е толку важно да се контролира само еден позитрон? Целта не е само да се совлада антиматеријата, туку да се провери едно од најосновните предвидувања на современата физика.

Според Стандардниот модел, теоретската рамка што ги опишува елементарните честички и три од четирите познати фундаментални сили, електронот и позитронот треба да бидат речиси совршени огледални копии во своите основни физички својства. Особено важна е нивната магнетна карактеристика, позната како магнетен момент.

Тимот на Џерал Габриелсе од Универзитетот Нортвестерн веќе има искуство со исклучително прецизни мерења на електронот. Со претходно развиената техника, истражувачите го измериле неговиот магнетен момент со прецизност од приближно еден дел на 10 билиони. Сега сакале да го повторат експериментот со позитрон и директно да ги споредат резултатите.

Тие покажале дека можат прецизно да ги контролираат квантните енергетски состојби на позитронот со помош на внимателно избрани микробранови импулси. Со додавање мали, точно определени количества енергија, научниците можат да предизвикаат и да ги детектираат премините меѓу различните квантни состојби.

(a) Енергетски нивоа на квантен циклотрон со еден позитрон. (b) Електроди на замката што го задржуваат позитронот. Слика: G. Gabrielse and L. Soucy/Northwestern University

Зошто постои материјата?

Ако мерењата на електронот и позитронот се разликуваат повеќе отколку што дозволува теоријата, тоа би било знак дека во нашето разбирање на природата недостига нешто важно. Таквото откритие би можело да укаже на физика надвор од Стандардниот модел.

Заднината на експериментот е една од најголемите космолошки загатки. Според постојните претстави за раната вселена, Биг-бенгот требало да создаде материја и антиматерија во речиси еднакви количества. Кога честичка од материјата ќе се сретне со соодветната античестичка, тие се поништуваат односно анихилираат. Ако материјата и антиматеријата биле создадени во целосно еднакви количества, тешко е да се објасни како останала материјата од која денес се изградени ѕвездите, планетите и ние самите.

Сè уште не е познато зошто дошло до оваа нерамнотежа. Мерењето на магнетните својства на позитронот нема само по себе да ја реши загатката, но може да открие дали една од најпрецизно проверените теории во физиката крие неочекувана слабост.

Засега, научниците не откриле разлика меѓу електронот и позитронот што би ја урнала постојната теорија. Но, со можноста да ја задржат антиматеријата под контрола со месеци, тие добиваат нешто исклучително вредно: време и прецизност за да постават уште построг тест на природата.