Einzelnes Positron in Quantenzyklotron gefangen, um CPT-Symmetrie zu testen
Physiker der Northwestern University haben ein einzelnes Positron, den Antimaterie-Zwilling des Elektrons, in einem „Quantenzyklotron“ festgehalten und damit einen neuen Weg eröffnet, eine zentrale Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik zu testen. Die Arbeit unter der Leitung von Gerald Gabrielse wurde am 21. Oktober online in Physical Review Letters veröffentlicht.
Das Positron hat dieselbe Masse wie das Elektron, aber eine gleich große, entgegengesetzte elektrische Ladung. Wie das Elektron verhält es sich auch wie ein winziger Stabmagnet, und nach dem Standardmodell sollte sein magnetisches Moment, die Stärke dieses Magneten, exakt gleich groß und entgegengesetzt zu dem des Elektrons sein.
Warum man ein Positron mit einem Elektron vergleicht
Die Vorhersage folgt aus der CPT-Symmetrie. Sie besagt: Würde man jedes Teilchen durch sein Antiteilchen ersetzen (C), das Universum in sein Spiegelbild verwandeln (P) und die Zeit rückwärts laufen lassen (T), alles gleichzeitig, blieben die Gesetze der Physik unverändert. Einer der empfindlichsten Tests besteht darin, das magnetische Moment des Positrons mit dem des Elektrons zu vergleichen. Jeder Unterschied wäre ein Hinweis auf neue Physik jenseits des Standardmodells.
Messungen am Elektron haben eine Genauigkeit von etwa 1 zu 10 Billionen erreicht, während der beste Vergleich beim Positron um mehrere Größenordnungen ungenauer ist. Das Haupthindernis besteht darin, ein Positron in eine Umgebung zu bringen, die isoliert und kalt genug für weitaus präzisere Messungen ist.
Wie das Positron eingefangen wurde
Das Team entnahm Positronen aus einer radioaktiven Natriumquelle, die sie mit extrem hoher Geschwindigkeit ausstößt, und bremste sie drastisch ab. Um ein einzelnes Positron einzuschließen, ließen sie es zunächst mit einem Elektron zu Positronium paaren, einem elektrisch neutralen Atom. Das Positronium wurde in der Falle auseinandergerissen, wodurch das Positron zurückblieb.
Das Antiteilchen wurde anschließend in einer Penning-Falle gehalten, die elektrische und magnetische Felder nutzt, um das Teilchen auf der Stelle kreisen zu lassen, ähnlich einer Miniaturversion der Zyklotrone in Teilchenbeschleunigern. Die Falle wurde auf nur einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt gekühlt, damit das Positron in seine Kreisbewegung mit der niedrigsten Energie übergehen konnte.
Auslesen von Bewegung und Spin
Da die Energie des Positrons in deutlich getrennte Stufen unterteilt ist, konnten die Forscher es mithilfe von Mikrowellen Stufe für Stufe nach oben und unten anstoßen und Umklappvorgänge seines Spins verfolgen, der Eigenschaft, die mit seinem Magnetismus zusammenhängt. Diese Zustände lasen sie aus, indem sie winzige Verschiebungen in der Hin-und-her-Bewegung des Positrons in der Falle überwachten; so lassen sich sowohl seine Bewegung als auch sein Spin erfassen, ohne eines von beiden zu stören.
Einmal eingefangen, kann das Positron laut dem Bericht mehrere Monate lang gespeichert werden. Das ebnet den Weg für künftige Experimente, die sein magnetisches Moment mit einer Genauigkeit messen könnten, die den bestehenden Elektronenmessungen entspricht. Das magnetische Moment selbst wurde in dieser Arbeit nicht gemessen: Die Veröffentlichung demonstriert das Einfangen und die Methode des Quantenzyklotrons.
Die Arbeit gehört zur Wissenschaftsberichterstattung auf akm.news.