I fisici della Northwestern University hanno confinato un singolo positrone, raffreddandolo fino a 300 millikelvin — circa 0,3 gradi sopra lo zero assoluto — e mantenendolo in uno stato quantistico controllato per mesi. È la prima realizzazione di un ciclotrone quantistico con un solo positrone, un risultato che potrebbe permettere di confrontare con grande precisione le proprietà della materia e dell’antimateria. Lo studio è stato pubblicato il 21 ottobre su Physical Review Letters.
La ricerca è stata condotta da un gruppo guidato da Gerald Gabrielse, professore alla Northwestern, e dal dottorando Thomas Myers. I ricercatori hanno catturato un positrone prodotto dal decadimento radioattivo del sodio-22, lo hanno rallentato e trasferito in una trappola elettromagnetica progettata appositamente. Campi elettrici e magnetici lo hanno tenuto sospeso nel vuoto, senza che toccasse le pareti: a contatto con la materia ordinaria, infatti, un positrone si annichila insieme a una particella di materia, trasformandosi in energia.
Il positrone è l’antiparticella dell’elettrone. In un universo di antimateria, al posto di elettroni, protoni e neutroni ci sarebbero positroni, antiprotoni e antineutroni. Le quantità impiegate negli esperimenti sono però minime e non rappresentano un rischio concreto di esplosione. «Se vogliamo studiare l’antimateria, dobbiamo maneggiarla con attenzione», ha detto Gabrielse. «Per essere chiari, non è pericolosa. Non abbiamo abbastanza antimateria da provocare un’esplosione».
Raffreddato fino a 300 millikelvin e isolato dai disturbi esterni, il positrone è sceso al suo stato energetico più basso, detto stato fondamentale. In queste condizioni si comporta come un «atomo artificiale», i cui livelli energetici possono essere manipolati senza contatto con la materia. «Lo raffreddiamo così tanto da portarlo nel suo stato fondamentale quantistico», ha spiegato Gabrielse. «Siamo riusciti a convincere questo positrone, che si muoveva molto velocemente, a restare fermo e comportarsi bene per mesi».
Il controllo ottenuto ha permesso ai ricercatori di provocare e osservare singole transizioni quantistiche, cioè passaggi tra diversi livelli energetici, usando impulsi a microonde calibrati con precisione. Questo apre la strada a misure molto accurate del momento magnetico del positrone, una proprietà legata al modo in cui la particella interagisce con un campo magnetico. L’obiettivo è confrontare il risultato con quello già ottenuto per l’elettrone, misurato con una precisione di una parte su 10.000 miliardi.
Il confronto potrebbe aiutare a verificare se materia e antimateria si comportano davvero allo stesso modo. Il Modello standard, la teoria che descrive le particelle fondamentali e tre delle quattro forze conosciute, prevede che i momenti magnetici di elettrone e positrone non presentino differenze. Ma non spiega perché, dopo il Big Bang, la materia abbia prevalso sull’antimateria: se le due fossero state prodotte in quantità uguali, si sarebbero annichilite a vicenda. Il problema è approfondito anche nell’articolo sul predominio della materia nell’Universo.
«Le teorie attuali suggeriscono che non ci sarà alcuna differenza tra le due misurazioni», ha detto Gabrielse. «Se dovesse emergere che non sono uguali, sarebbe la più grande scoperta della fisica dell’ultimo secolo». Per ora, il risultato riguarda la capacità di controllare un singolo positrone e costituisce un passo verso il confronto delle misure: un’eventuale discrepanza potrebbe mettere in discussione il Modello standard e offrire un indizio sull’asimmetria tra materia e antimateria, ma non spiegherebbe da sola perché la materia abbia prevalso.
Fonte: interestingengineering.com
