Παγίδευσαν ένα ποζιτρόνιο για έναν μήνα και μελέτησαν τις κβαντικές του καταστάσεις

Το σωματίδιο της αντιύλης που παγιδεύτηκε ήταν ένα ποζιτρόνιο, το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου, το οποίο έχει: την ίδια μάζα με το ηλεκτρόνιο, ηλεκτρικό φορτίο ίσου μέτρου αλλά θετικό, σπιν 1/2 και μαγνητική διπολική ροπή ίσου μέτρου και αντίθετης φοράς από εκείνη του ηλεκτρονίου (για την ίδια κατεύθυνση σπιν). Κι ενώ η παγίδευση και η μελέτη ενός και μόνο ηλεκτρονίου είχε επιτευχθεί σχετικά «εύκολα» χρησιμοποιώντας τις επονομαζόμενες παγίδες Penning, η αντίστοιχη παγίδευση ενός και μόνο ποζιτρονίου είναι πολύ δυσκολότερη. Κι αυτό γιατί είναι δύσκολο να οδηγηθεί ένα ποζιτρόνιο στην παγίδα, δεδομένου ότι εξαϋλώνεται αν συγκρουστεί με ηλεκτρόνιο. Οι παγίδες Penning χρησιμοποιούν κατάλληλους συνδυασμούς ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων τα οποία εγκλωβίζουν το ποζιτρόνιο στην παγίδα και το αναγκάζουν να κινείται μέσα σε ένα περιβάλλον υψηλού κενού και θερμοκρασιών κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Τον Οκτώβριο του 2026 δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters η εργασία των φυσικών Gabrielse et al με τίτλο «One-Positron Quantum Cyclotron» , που περιγράφει την πραγματοποίηση ενός κβαντικού κυκλότρου με ένα και μόνο ποζιτρόνιο.

Κβαντικό κύκλοτρο

Τι εννοούν οι Gabrielse et al με τον όρο κβαντικό κύκλοτρο; Είναι γνωστό ότι τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια στο ομογενές μαγνητικό πεδίο εκτελούν ομαλή κυκλική κίνηση με χαρακτηριστική συχνότητα που είναι ανεξάρτητη από την ταχύτητά τους. Σ’ αυτήν ακριβώς την ιδιότητα βασίζεται η επιτάχυνση των σωματιδίων στο κλασικό κύκλοτρο, αφού τα συγχρονίζει με το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο που τα επιταχύνει. Στην περίπτωση του εγκλωβισμού ενός και μόνο ποζιτρονίου στο ομογενές μαγνητικό πεδίο της παγίδας Penning, δεν μπορούμε πλέον να μιλάμε για μια ακριβώς καθορισμένη κυκλική τροχιά όπως στην κλασική φυσική. Η κίνησή του περιγράφεται από την κβαντική φυσική και η ενέργεια του σωματιδίου δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, αλλά περιορίζεται σε διακριτές ενεργειακές στάθμες, μεταξύ των οποίων μπορούν να πραγματοποιηθούν μεταβάσεις και να μελετηθούν. Επιπλέον, η ίδια συχνότητα που στο κλασικό κύκλοτρο περιγράφει την κυκλική κίνηση του σωματιδίου, στο κβαντικό κύκλοτρο καθορίζει την ενεργειακή διαφορά μεταξύ των διαδοχικών ενεργειακών στάθμεων του παγιδευμένου ποζιτρονίου.

Οι φυσικοί χρησιμοποίησαν ως πηγή ποζιτρονίων το ραδιενεργό ²²Na. Τα εκπεμπόμενα ποζιτρόνια αρχικά επιβραδύνονταν από έναν κρύσταλλο βολφραμίου και μερικά από αυτά σχημάτιζαν ένα ουδέτερο σύστημα ποζιτρονίου–ηλεκτρονίου (ποζιτρόνιουμ). Αυτό το ουδέτερο άτομο τύπου Rydberg μπορούσε πλέον ανενόχλητο να διεισδύσει στην παγίδα, όπου το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο του αποσπούσε το ηλεκτρόνιο, με το θετικά φορτισμένο ποζιτρόνιο να παγιδεύεται, ώστε να μπορεί να μελετηθεί. Η διαδικασία παγίδευσης ενός και μόνο ποζιτρονίου διαρκούσε 8 έως 11 ώρες, αλλά η παγίδευσή του μπορούσε να διατηρηθεί για έναν μήνα – χρονικό διάστημα που αποτελεί ρεκόρ.

Οι Gabrielse et al διέκριναν τις κβαντικές ενεργειακές στάθμες του παγιδευμένου ποζιτρονίου. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται Quantum Nondemolition Measurement (QND) κατάφεραν να ανιχνεύουν τις κβαντικές καταστάσεις διαμέσου μικρών μεταβολών στην συχνότητα της αξονικής ταλάντωσης του ποζιτρονίου, χωρίς η μέτρηση να μεταβάλλει τις συγκεκριμένες κβαντικές καταστάσεις.

Και σχεδιάζουν μια νέα μέτρηση υψηλής ακρίβειας της μαγνητικής διπολικής ροπής του ποζιτρονίου, δεδομένου ότι κατάφεραν το απαραίτητο πειραματικό βήμα που επιτρέπει να γίνει μια τέτοια μέτρηση. Χρησιμοποιώντας παρόμοια διάταξη, οι Gabrielse et al έχουν μετρήσει την μαγνητική ροπή ενός ηλεκτρονίου (διαμέσου του αδιάστατου παράγοντα g), με ακρίβεια ενός μέρους στα 10 τρισεκατομμύρια. Η αντίστοιχη μέτρηση για ένα ποζιτρόνιο θα τους επιτρέψει να κάνουν μια κρίσιμη σύγκριση ύλης-αντιύλης: το αν διαθέτουν ακριβώς αντίθετη μαγνητική ροπή. Αυτή είναι η πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων. Αν όμως οι δύο τιμές διαφέρουν, τότε αυτό θα αποτελούσε ξεκάθαρη ένδειξη νέας φυσικής και θα βοηθούσε στην εξήγηση του γιατί το σύμπαν μας αποτελείται από ύλη αντί για αντιύλη.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. T. G. Myers, L. Soucy, B. A. D. Sukra, B. Sinha, G. Gabrielse, «One-Positron Quantum Cyclotron» – https://arxiv.org/abs/2605.08147
2. Clara Moskowitz edited by Lee Billings. «Physicists trap a single antimatter particle for a month» – https://www.scientificamerican.com/article/physicists-trap-a-single-antimatter-particle-for-a-month/
3. Paolo Crivelli, «A Quantum Cyclotron for Antimatter» – https://physics.aps.org/articles/v19/132

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: ΑΝΤΙΥΛΗ, ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟ, ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥΜ, PHYSICS