Brzmi ono następująco: dlaczego wszechświat składa się głównie z materii? Jej poszukiwania podjął się zespół kierowany przez Geralda Gabrielsego oraz Thomasa Myersa. Jego członkowie byli w stanie przechwycić pojedynczy pozyton, czyli antycząstkę elektronu, a następnie schłodzić go i utrzymać w odpowiednich warunkach przez miesiące. Badacze stworzyli w ten sposób układ nazwany kwantowym cyklotronem z pojedynczym pozytonem. Szczegółowy opis działań uczonych trafił na łamy Physical Review Letters.
Czytaj też: Fizycy zaobserwowali ślad materii z pierwszych chwil wszechświata. Przełomowe odkrycie w CERN
Wyzwanie polega na tym, że antymaterii nie można przechowywać w zwykłym pojemniku. Gdy pozyton zetknie się z elektronem, dochodzi do anihilacji – obie cząstki znikają, a ich masa ulega przekształceniu w energię. Dlatego badacze muszą utrzymywać antycząstkę w przestrzeni pozbawionej niemal całkowicie materii i kontrolować jej ruch za pomocą pól elektromagnetycznych.
Pozytony wykorzystane w eksperymencie pochodziły z rozpadu promieniotwórczego izotopu sodu-22. Początkowo poruszały się z dużą energią, dlatego należało je spowolnić, a następnie skierować do specjalnie zaprojektowanej pułapki. W jej wnętrzu temperatura wynosiła około 300 milikelwinów, czyli zaledwie 0,3 stopnia powyżej zera bezwzględnego. Dzięki połączeniu bardzo niskiej temperatury, wysokiej próżni oraz odpowiednio dobranych pól elektrycznych i magnetycznych pozyton nie dotykał ścian urządzenia. Fizycy doprowadzili go do najniższego dostępnego stanu energetycznego, w którym jego właściwości kwantowe można badać z wyjątkową precyzją.
Najważniejszym celem eksperymentu nie jest samo przechowywanie antycząstki, lecz dokładne poznanie jej właściwości. Naukowcy wykazali, iż mogą kontrolować i obserwować pojedyncze przejścia kwantowe pozytonu. Wykorzystują do tego precyzyjnie dostrojone impulsy mikrofalowe, które zmieniają stan energetyczny cząstki. Takie możliwości pozwalają przygotować pomiary momentu magnetycznego pozytonu. Wielkość ta opisuje jego reakcję na pole magnetyczne i stanowi jedną z podstawowych cech cząstki. Badacze chcą porównać uzyskany wynik z analogicznym pomiarem elektronu.
Zgodnie z obecnymi teoriami obie wartości powinny być identyczne pod względem wartości bezwzględnej, z uwzględnieniem przeciwnych ładunków elektrycznych cząstek. Nawet bardzo niewielka, potwierdzona różnica mogłaby wskazywać na zjawiska, których nie uwzględnia obowiązujący model standardowy fizyki cząstek. Na razie eksperyment nie wykazał takiej rozbieżności – stworzył przede wszystkim narzędzie umożliwiające jej poszukiwanie.
Czytaj też: Kwantowa siła poruszyła diamentem. Fizycy polują na kota Schrödingera
Zagadnienie, o którym mówimy, ma znaczenie znacznie przede wszystkim w kontekście modeli poświęconych Wielkiemu Wybuchowi. Ten powinien doprowadzić do powstania porównywalnych ilości materii i antymaterii. Gdyby obie występowały w idealnej równowadze, wzajemna anihilacja mogłaby pozostawić wszechświat pozbawiony większości materii, z której powstały później gwiazdy, planety i galaktyki. Tymczasem obserwujemy kosmos zdominowany przez materię. Fizycy znają procesy, w których materia i antymateria zachowują się nieco odmiennie, lecz dotychczas nie udało się wyjaśnić nimi całej obserwowanej przewagi. Porównanie elektronu z pozytonem może dostarczyć kolejnych wskazówek, choć samo w sobie nie rozstrzygnie zagadki tej kosmicznej asymetrii.
Źródło: Physical Review Letters
