Fisici della Northwestern intrappolano un singolo positrone in un ciclotrone quantistico

Colmare il divario di precisione nei test sull'antimateria

Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, le leggi fondamentali dipendono dalla simmetria CPT, un principio di invarianza secondo cui la fisica resta immutata se carica, parità e tempo vengono invertiti simultaneamente. In base a questo principio, il positrone, la controparte di antimateria dell'elettrone, deve possedere un momento magnetico intrinseco rigorosamente uguale in modulo e opposto in segno a quello dell'elettrone. Mentre la fisica sperimentale ha misurato il momento magnetico dell'elettrone con una precisione straordinaria di 1 parte su 10 trilioni, i confronti con il positrone sono rimasti indietro di ordini di grandezza, come riportato da Phys.org. Questa disparità tecnica deriva dalla difficoltà di isolare i positroni in un ambiente ultra-freddo e indisturbato, alimentando una continua invenzione scientifica nei test ad alta precisione.

Progettare il ciclotrone quantistico a un solo positrone

Per superare la sfida, un team di ricerca guidato dal fisico e inventore Gerald Gabrielse della Northwestern University ha sviluppato un apparato sperimentale descritto su Physical Review Letters da T. G. Myers e colleghi. I positroni emessi ad alta velocità da una sorgente di sodio radioattiva sono stati rallentati drasticamente prima di entrare nella zona di confinamento. I ricercatori hanno accoppiato ogni positrone in arrivo con un elettrone per assemblare un atomo elettricamente neutro di positronio, che è stato poi separato direttamente all'interno della trappola per isolare la singola particella di antimateria, secondo Phys.org. L'antiparticella isolata è stata catturata all'interno di una speciale trappola di Penning, un apparato di laboratorio che utilizza campi magnetici ed elettrici combinati per mantenere un moto orbitale circolare.

Stati quantistici e lettura non distruttiva

L'intera trappola è stata raffreddata a una frazione di grado sopra lo zero assoluto, portando la particella intrappolata al suo livello energetico orbitale di ciclotrone più basso. In queste condizioni criogeniche, l'energia del positrone si separa in gradini quantistici discreti. L'innovazione scientifica si basa sull'applicazione di impulsi a microonde per manipolare il positrone tra singoli stati energetici e indurre inversioni di spin, come documentato da Phys.org. Invece di distruggere la particella durante l'osservazione, i ricercatori leggono le transizioni di spin e orbitali misurando sottili variazioni del suo moto oscillatorio assiale all'interno della trappola.

Cosa osservare nella misurazione di precisione dell'antimateria

Poiché l'architettura di confinamento può conservare un positrone solitario per diversi mesi senza disturbi, l'apparato sperimentale funziona come un solido prototipo di laboratorio per la spettroscopia dell'antimateria a lungo termine. Il team prevede che le prossime misurazioni miglioreranno la valutazione del momento magnetico del positrone di circa 30 volte, colmando il divario storico di accuratezza rispetto ai riferimenti dell'elettrone, secondo Phys.org. Se future prove rivelassero una qualsiasi discrepanza tra i momenti magnetici dell'elettrone e del positrone, il risultato offrirebbe una prova empirica diretta di meccanismi fisici oltre il Modello Standard e farebbe luce sul perché la materia domina sull'antimateria nello spazio.

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