Physiker der Northwestern University ein einzelnes Positron eingefangen und festgehalten (das Antiteilchen des Elektrons) mehrere Monate lang in einer Kryofalle gelagert.
Dieser Fortschritt ermöglicht die Manipulation seines Quantenzustands und messen Sie seine Eigenschaften mit beispielloser Präzision, um eine grundlegende Symmetrie des Standardmodells zu testen und möglicherweise erklären, warum Materie das Universum dominiert.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung. Dieses auf einen Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt (etwa 300 Millikelvin) abgekühlte Teilchen wurde monatelang in einem nahezu perfekten Vakuum schwebend gehalten.
Warum ist es so schwierig, Antimaterie einzufangen?
Die größte Schwierigkeit liegt in der Natur der Antimaterie. Jedes Teilchen hat ein Zwillingsantiteilchen mit identischer Masse, aber entgegengesetzter elektrischer Ladung.
Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig in einem Blitz reiner Energie. Das ist das Prinzip der Vernichtung. Da unser Universum fast ausschließlich aus Materie besteht, hat ein Positron nur eine kurze Lebenserwartung, bevor es die Bahnen eines Elektrons kreuzt und verschwindet.
Um diesen kosmischen Flüchtling zu untersuchen, müssen wir ihn daher in einen „Behälter ohne Wände“ stecken, wie das Team ihn poetisch beschreibt. Jeder Kontakt mit gewöhnlicher Materie würde ihr sofortiges Ende bedeuten.
Die Herausforderung ist daher zweifach: Ein extrem energiereiches Teilchen einzufangen und es isoliert und schwebend zu halten, ohne dass es jemals etwas berührt.
Wie gelang den Physikern diese technische Leistung?
Das Team entwickelte ein dreistufiges System. Erstens die Quelle: ein radioaktives Natriumisotop (Natrium-22), das Positronen mit einer Geschwindigkeit aussendet, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt.
Um dieses verrückte Rennen zu verlangsamen, schickten die Forscher diese Partikel durch einen Wolframkristall. Die meisten Positronen vernichten dort, doch ein winziger Teil tritt erheblich verlangsamt wieder aus und bildet kurzzeitig eine exotische Struktur namens Positronium (ein Elektron und ein Positron, die einander umkreisen).
Dieses Positronium wird dann in Richtung der Penningfalle geleiteteine Vakuumkammer, in der ein elektrisches Feld es von seinem Elektron trennt. Das jetzt allein stehende Positron wird dann von einer Kombination aus starken elektrischen und magnetischen Feldern eingefangen.
Dieses auf kryogene Temperaturen gekühlte Gerät erzeugt eine Art immateriellen Käfig. Mit dieser Technik können Forscher das Positron konservieren und es mit Mikrowellen manipulieren, um es zwischen seinen Quantenenergiezuständen „springen“ zu lassen und so eine wesentliche Kontrolle für den Rest dieses Teilchenphysik-Abenteuers bereitzustellen..
Was ist das ultimative Ziel dieses Experiments?
Das gefangene Positron kann endlich über längere Zeiträume untersucht werden. Die Herausforderung besteht darin, eine der Grundlagen der modernen Physik zu testen: die CPT-Symmetrie (Ladung, Parität, Zeit).
Nach diesem Prinzip sollten die Gesetze der Physik gleich bleiben, wenn wir gleichzeitig die Ladung, die Raumkoordinaten (wie in einem Spiegel) und die Richtung der Zeit umkehren.
Das Positron in seinen verschiedenen Anregungszuständen (Ruhe, 1. Zustand, 2. angeregter Zustand)
Eine direkte Konsequenz ist, dass das Elektron und das Positron streng identische, aber entgegengesetzte Eigenschaften haben sollten, beispielsweise ihr magnetisches Moment (die Stärke und Ausrichtung ihres inneren Magnetfelds).
Gabrielses Team hat das magnetische Moment des Elektrons bereits mit großer Präzision gemessen. Das Gleiche wollen die Forscher nun mit ihrem gefangenen Positron machen und die beiden Werte vergleichen.
Wenn sie nicht vollkommen gleich und gegensätzlich sind, würde dies bedeuten, dass es sich um das Standardmodell handeltunsere beste Beschreibung des subatomaren Universums, hat einen Fehler. Dies wäre möglicherweise eine der größten Entdeckungen der Physik seit einem Jahrhundert.
Welche Auswirkungen hat es, wenn das Standardmodell in Frage gestellt wird?
Ein Riss im Standardmodell könnte uns endlich einen Hinweis auf die Lösung des größten Rätsels der Kosmologie geben: Warum existiert das Universum?
Theoretisch hätte der Urknall gleiche Mengen an Materie erzeugen sollen und vonAntimaterie. Wenn das der Fall wäre, wäre alles vernichtet worden und nur ein leerer, energievoller Kosmos wäre zurückgeblieben.
Die Tatsache, dass wir hier aus Materie bestehen, beweist, dass ein leichtes Ungleichgewicht besteht favorisierte das Material. Selbst ein kleiner Unterschied zwischen den Eigenschaften des Elektrons und des Positrons könnte ein Zeichen für die „neue“ Physik sein, die für dieses rettende Ungleichgewicht verantwortlich ist.
Das Team hofft, innerhalb eines Jahres Ergebnisse zu erzielen. Selbst wenn die Messungen die Theorie bestätigen, wird dies das Geheimnis eines unglaublich präzisen mathematischen Modells nur vertiefen aber unfähig, die Existenz unserer Realität selbst zu erklären.
