Riassunto:
Un team di fisici della Northwestern University ha recentemente compiuto un importante passo avanti nel campo degli esperimenti di fisica delle particelle. Per la prima volta, la controparte di antimateria dell’elettrone, il positrone, è stata guidata con successo e controllata stabilmente in un preciso stato quantistico, e sospesa e imprigionata in un ambiente di vuoto estremo vicino allo zero assoluto per diversi mesi. Questo risultato della ricerca, pubblicato su Physical Review Letters, ha costruito il primo “ciclotrone quantistico a positrone singolo” al mondo e ha aperto un nuovo percorso sperimentale per l’umanità per esplorare il mistero della ritenzione della materia nell’universo.
Nella fisica moderna, sebbene il Modello Standard descriva le particelle elementari e tre delle quattro forze interagenti di base con altissima precisione, non è mai stato in grado di rispondere a un enigma fondamentale: secondo le deduzioni teoriche, il Big Bang avrebbe dovuto produrre quantità uguali di materia e antimateria. Quando i due si incontreranno, verranno istantaneamente annientati e ridotti a nulla. Tuttavia, in realtà, l’universo osservabile è quasi interamente composto da materia positiva e possono sopravvivere stelle, pianeti e persino gli esseri umani. Gerald Gabrielse, il leader della ricerca, ha affermato che ciò dimostra che il modello standard esistente presenta ancora importanti difetti o incompletezze. Il gruppo di ricerca scientifica spera di trovare scoperte rivoluzionarie nella teoria esistente attraverso l'esame ultrapreciso dei sistemi di particelle più elementari.
Poiché l'antimateria viene annientata immediatamente non appena entra in contatto con la parete di un contenitore di materia convenzionale, è estremamente difficile preservarla per un lungo periodo. Il gruppo di ricerca ha prima ottenuto positroni ad alta energia dal decadimento radioattivo del raro isotopo sodio-22, li ha notevolmente decelerati e li ha introdotti in una trappola elettromagnetica appositamente progettata. Hanno utilizzato speciali campi elettrici e magnetici per sospenderli e isolarli in un ambiente di vuoto quasi perfetto, isolandoli completamente dal contatto con la materia ordinaria del mondo esterno. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno mantenuto un ambiente a temperatura ultra-bassa di circa 300 millikelvin all’interno della trappola, che è solo 0,3 gradi Celsius sopra lo zero assoluto, e hanno raffreddato con successo i positroni in movimento ad alta velocità fino allo stato fondamentale quantistico più basso, rendendoli obbedientemente stazionari come atomi artificiali e mostrando chiari livelli di energia quantistica. Su questa base, il team ha utilizzato microonde finemente sintonizzate per iniettare una piccola quantità di energia per innescare e osservare con precisione la transizione dei positroni tra diversi stati quantistici.
In precedenza, il team di Gabriels aveva utilizzato un "ciclotrone quantistico a singolo elettrone" per misurare il momento magnetico degli elettroni (una quantità fisica che misura la forza dell'interazione tra particelle e campi magnetici) con una sorprendente precisione di una parte su dieci trilioni. Dopo aver esteso con successo lo stesso livello di tecnologia di manipolazione quantistica a una singola particella di antimateria, il prossimo obiettivo del team è misurare il momento magnetico del positrone con la stessa precisione. Secondo le attuali previsioni della teoria fisica, i momenti magnetici di elettroni e positroni dovrebbero essere esattamente uguali in grandezza e opposti in direzione. Gabriels ha sottolineato che se nei successivi confronti di precisione si riscontrasse anche una differenza estremamente piccola nei valori del momento magnetico tra i due, ciò scuoterebbe direttamente le fondamenta del Modello Standard. Non solo si prevede che rivelerà il profondo meccanismo dello squilibrio tra materia e antimateria nell'universo, ma diventerà anche la scoperta scientifica più significativa in fisica del secolo scorso.
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