Fizičari mjesecima držali zarobljen pozitron, česticu antimaterije

Jedan jedini pozitron, antimaterijski parnjak elektrona, mjesecima je držan izolovan u kriogenoj supravodljivoj vakuumskoj zamci na Univerzitetu Northwestern u Sjedinjenim Američkim Državama. Istraživači koji stoje iza eksperimenta tvrde da ovaj uspjeh otvara vrata dosad najstrožim provjerama fizike čestica.

Pozitroni su fizičarima poznati još od tridesetih godina prošlog stoljeća, ali ih je bilo gotovo nemoguće proučavati duže vrijeme. Razlog je jednostavan: čim se pozitron sretne s elektronom, obje čestice nestaju u sitnom bljesku energije. Budući da su elektroni posvuda, pozitron u običnom okruženju praktično nema šanse da preživi.

Zašto je to važno

Svaka čestica u svemiru ima svoj antimaterijski par, a prema teoriji, rađanje svemira trebalo je proizvesti jednake količine materije i antimaterije. Zašto je današnji svemir toliko nagnut u korist materije ostaje jedna od velikih zagonetki fizike, a njeno rješavanje otežava upravo sklonost antičestica da se sudare s česticama i nestanu.

Gerald Gabrielse, fizičar s Northwesterna i glavni autor rada, objasnio je za ScienceAlert da je najveći izazov natjerati pozitron, koji iz jezgre izlijeće u radioaktivnom raspadu s vrlo visokom energijom, da uspori dovoljno da ga je moguće uhvatiti u zamku. Prema njegovim riječima, većina pozitrona koji napuste izvor ne biva uspješno usporena ni uhvaćena, nego završi u anihilaciji s nekim elektronom unutar same aparature.

Kako su usporili antimateriju

Rješenje, koje je predvodio fizičar Tom Myers, moralo je odgovoriti na dva problema: kako zaustaviti pozitron i kako ga potom zadržati bez ikakvog kontakta s elektronima.

Kao izvor pozitrona poslužio je radioaktivni izotop natrija, koji izbacuje antičestice energije do oko 546 kiloelektronvolti, što odgovara otprilike 88 posto brzine svjetlosti. Da bi ih usporili, istraživači su posegnuli za naizgled paradoksalnim potezom: pustili su pozitrone da prođu kroz materiju, tačnije kroz jedan kristal volframa.

Eksperimentalna aparatura imala je tri glavna dijela: natrijev izvor, kristal i zamku. Dio pozitrona iz izvora uleti u volframov kristal, gdje njihov pozitivni naboj stupa u interakciju s negativno nabijenim elektronima u materijalu. Te interakcije mogu pobuditi ili jonizovati atome, pri čemu pozitron dio svoje kinetičke energije preda kristalu. Većina pozitrona pritom strada, jer se sudari s elektronom i obje čestice nestanu.

Mali broj njih ipak preživi i izađe s površine volframa znatno usporen, vezan uz elektron, ali bez dodira s njim. Takav par naziva se pozitronij. U ovom obliku pozitronija elektron i pozitron nalaze se u visoko pobuđenom kvantnom stanju koje ih drži relativno daleko jedno od drugog, pa se njihova neizbježna anihilacija odgađa tek toliko da se pozitron može prebaciti tamo gdje treba, ravno u pripremljenu zamku.

Zamka široka 640 mikrometara

Sama zamka ima otvor širine svega 640 mikrometara kroz koji pozitronij ulazi. Tu električno polje odvoji elektron, a pozitron ostaje sam. Uređaj je takozvana Penningova zamka, koja kombinacijom električnog i magnetnog polja drži nabijenu česticu u mjestu, a da ona ne dotakne zidove.

Zamka se nalazi u izuzetno dobrom vakuumu i ohlađena je na svega 300 milikelvina, djelić stepena iznad apsolutne nule, što pozitronu omogućava da ostane izolovan od vanjskog svijeta. Kad istraživači zabilježe električni signal uhvaćenog pozitrona, radioaktivni izvor se udaljava od zamke kako nijedan dodatni pozitron ne bi ušao u nju.

Mjerenja bez narušavanja kvantnog stanja

Istraživači su zarobljeni pozitron mogli zadržati mjesecima, ali samo sprječavanje anihilacije bilo je tek početak. U snažnom magnetnom polju zamke pozitron se kreće u sitnim krugovima, što se naziva ciklotronsko kretanje. Nakon što su ga ohladili u najniže kvantno energetsko stanje, istraživači su pažljivo podešenim mikrovalovima mogli pomicati pozitron između diskretnih energetskih nivoa, po jedan kvant odjednom. Ključno je da su te promjene, kao i preokrete spina pozitrona, mogli detektovati bez narušavanja kvantnih stanja koja mjere.

Gabrielse je kazao da on i njegova istraživačka grupa već godinama rade na jednopozitronskom kvantnom ciklotronu, pa je posmatranje pozitrona koji pravi energetske skokove od po jednog kvanta za njih bilo izuzetno zadovoljstvo. Dodao je da je bilo lijepo vidjeti kako rad na doktorskoj tezi Toma Myersa završava velikim uspjehom, budući da je, kako je rekao, radio vrlo naporno.

Provjera CPT simetrije

Zašto bi uopšte neko htio uhvatiti i mjeriti pozitron? Razloga je mnogo, a među najvažnijima je provjera temeljnog principa fizike poznatog kao CPT simetrija. Skraćenica označava naboj, paritet i vremensku inverziju, tri transformacije koje bi, primijenjene zajedno, trebale ostaviti osnovne zakone fizike nepromijenjenima. Jedna od posljedica tog principa jeste da bi čestice i njihovi antimaterijski parnjaci trebali imati neka svojstva koja se tačno podudaraju, pa upravo poređenje svojstava elektrona i pozitrona omogućava da se taj princip provjeri s dosad nedostižnom preciznošću.