Un solo positrón atrapado en un ciclotrón cuántico para probar la simetría CPT
Físicos de la Universidad Northwestern han mantenido un solo positrón, el gemelo de antimateria del electrón, en un "ciclotrón cuántico", lo que abre una nueva forma de probar una predicción clave del Modelo Estándar de la física de partículas. El trabajo, dirigido por Gerald Gabrielse, se publicó en línea el 21 de octubre en Physical Review Letters.
El positrón tiene la misma masa que el electrón, pero una carga eléctrica igual y de signo opuesto. Como el electrón, también se comporta como un diminuto imán de barra y, según el Modelo Estándar, su momento magnético, la intensidad de ese imán, debería ser exactamente igual y opuesto al del electrón.
Por qué comparar un positrón con un electrón
La predicción se deriva de la simetría CPT. Establece que si se intercambiara cada partícula por su antipartícula (C), se volteara el universo a su imagen especular (P) y se hiciera correr el tiempo hacia atrás (T), todo a la vez, las leyes de la física no cambiarían. Una de las pruebas más sensibles consiste en comparar el momento magnético del positrón con el del electrón. Cualquier diferencia sugeriría una nueva física más allá del Modelo Estándar.
Las mediciones con electrones han alcanzado una precisión de alrededor de 1 parte en 10 billones, mientras que la mejor comparación con positrones es varios órdenes de magnitud menos precisa. El principal obstáculo es lograr que un positrón esté en un entorno lo bastante aislado y frío para realizar mediciones mucho más precisas.
Cómo se atrapó el positrón
El equipo tomó positrones de una fuente radiactiva de sodio, que los lanza a velocidades extremadamente altas, y los frenó drásticamente. Para confinar un solo positrón, primero dejaron que se emparejara con un electrón formando positronio, un átomo eléctricamente neutro. El positronio se desintegró dentro de la trampa, lo que dejó atrás al positrón.
Después, la antipartícula se mantuvo en una trampa de Penning, que usa campos eléctricos y magnéticos para mantener la partícula girando en el mismo lugar, algo parecido a una versión en miniatura de los ciclotrones usados en los aceleradores de partículas. La trampa se enfrió hasta apenas una fracción de grado por encima del cero absoluto, de modo que el positrón pudiera asentarse en su movimiento circular de menor energía.
Lectura del movimiento y del espín
Con la energía del positrón dividida en escalones distintos y claramente separados, los investigadores pudieron empujarlo hacia arriba y hacia abajo un escalón cada vez mediante microondas y seguir los cambios de su espín, la propiedad ligada a su magnetismo. Leyeron estos estados controlando minúsculas variaciones en el vaivén del positrón dentro de la trampa, lo que permite detectar tanto su movimiento como su espín sin perturbar ninguno de los dos.
Una vez capturado, el positrón puede almacenarse durante varios meses, según el informe. Esto allana el camino para futuros experimentos que podrían medir su momento magnético con una precisión comparable a las mediciones actuales del electrón. El momento magnético en sí no se ha medido en este trabajo: el artículo demuestra el atrapamiento y el método del ciclotrón cuántico.
El trabajo forma parte de la cobertura de ciencia en akm.news.