לראשונה: פוזיטרון בודד נלכד במצב קוונטי מבוקר ונשמר במלכודת במשך חודשים

פיזיקאים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן לכדו פוזיטרון בודד, החלקיק המקביל לאלקטרון באנטי-חומר, קיררו אותו למצב היסוד הקוונטי ושמרו אותו במלכודת במשך חודשים. המטרה: המבחן המדויק ביותר עד היום לסימטריה בין חומר לאנטי-חומר.

המערכת הניסויית באוניברסיטת נורת'ווסטרן שבה נלכד פוזיטרון בודד — המערכת שבה נלכד הפוזיטרון: מיכל המלכודת מונמך אל מתחת למפלס הרצפה. צילום: Gerald Gabrielse, אוניברסיטת נורת'ווסטרן.

פוזיטרון הוא האנטי-חלקיק של האלקטרון: אותה מסה, מטען חשמלי הפוך. כשפוזיטרון פוגש אלקטרון, שניהם נעלמים בתהליך שנקרא הַשמדה. לכן אי אפשר להחזיק פוזיטרון בכלי רגיל. כל מגע בדופן פירושו סוף החלקיק.

במחקר שפורסם בכתב העת Physical Review Letters, צוות בהובלת פרופ' ג'רלד גבריאלס מאוניברסיטת נורת'ווסטרן בארצות הברית דיווח שהצליח ללכוד פוזיטרון בודד ולהעביר אותו למצב קוונטי מבוקר. החוקרים קוראים למערכת "ציקלוטרון קוונטי של פוזיטרון אחד". במצב הזה הפוזיטרון מתנהג כמו אטום מלאכותי, עם רמות אנרגיה קוונטיות שאפשר לשלוט בהן ולמדוד אותן. המחבר הראשון של המאמר הוא תומס מאיירס, דוקטורנט במעבדתו של גבריאלס.

מלכודת בלי קירות

הפוזיטרון הגיע מדעיכה רדיואקטיבית של נתרן-22, איזוטופ רדיואקטיבי נדיר של נתרן. פוזיטרונים שנפלטים בדעיכה כזו נעים באנרגיה גבוהה מאוד. החוקרים האטו את הפוזיטרון והכניסו אותו לתוך מלכודת פנינג, שמשלבת שדות חשמליים ומגנטיים ומחזיקה את החלקיק תלוי בחלל ריק, בלי לגעת בשום דבר. בתוך המלכודת שורר ואקום כמעט מושלם, והיא מקוררת לכ-300 מיליקלווין, כלומר 0.3 מעלות בלבד מעל האפס המוחלט.

"קיררנו אותו כל כך שהוא נמצא במצב היסוד הקוונטי שלו", אמר גבריאלס. לדבריו, הפוזיטרון במעבדה נשאר לכוד במשך חודשים. החוקרים הראו גם שהם יכולים לשלוט במצבי האנרגיה של החלקיק ולזהות אותם. הם שלחו אליו מיקרוגלים בתדר מכוון, הוסיפו לו כמויות אנרגיה זעירות ומדויקות, וזיהו את המעברים הקוונטיים שנוצרו.

גבריאלס הדגיש שאין בניסוי סכנה: "אין לנו מספיק אנטי-חומר כדי ליצור פיצוץ."

למה זה חשוב: לחפש סדק במודל הסטנדרטי

לפי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, אלקטרונים ופוזיטרונים הם תמונת ראי כמעט מושלמת זה של זה. עיקרון סימטריה יסודי, שנקרא סימטריית CPT, צופה שלשניהם יהיה בדיוק אותו מומנט מגנטי, בסימן הפוך. השוואה מדויקת של המומנט המגנטי של שני החלקיקים היא אחת הדרכים הטובות לבדוק את העיקרון הזה.

בעבר מדדה הקבוצה של גבריאלס, בעזרת ציקלוטרון קוונטי של אלקטרון אחד, את המומנט המגנטי של האלקטרון בדיוק של כחלק אחד ל-10 טריליון. זו אחת המדידות המדויקות ביותר שנעשו אי פעם לחלקיק יסודי. מדידות קודמות של הפוזיטרון התבססו על תנועה ציקלוטרונית קלאסית, ולכן דיוקן נמוך יותר. השלב הבא הוא לבצע מדידה קוונטית זהה בפוזיטרון ולהשוות בין שתי התוצאות.

אי-התאמה בין המדידות תצביע על פיזיקה שמעבר למודל הסטנדרטי. היא עשויה גם לתת רמז לאחת השאלות הגדולות של הקוסמולוגיה: למה היקום עשוי כמעט כולו מחומר. לפי התיאוריה, המפץ הגדול היה אמור ליצור כמויות שוות של חומר ואנטי-חומר, ואלה היו משמידים זה את זה. "התיאוריות הנוכחיות צופות שלא יהיה הבדל בין שתי המדידות", אמר גבריאלס. "אם יתברר שהן לא שוות, זו תהיה התגלית הגדולה ביותר בפיזיקה במאה האחרונה."

שאלות ותשובות

מה זה פוזיטרון?

האנטי-חלקיק של האלקטרון. יש לו אותה מסה ומטען חשמלי חיובי. כשהוא פוגש אלקטרון, שניהם מושמדים.

איך שומרים אנטי-חומר בלי שייגע בחומר?

במלכודת פנינג, שמחזיקה את החלקיק בשדות חשמליים ומגנטיים בתוך ואקום, כך שאינו נוגע בדפנות.

מה החוקרים מתכננים למדוד?

את המומנט המגנטי של הפוזיטרון בדיוק קוונטי, ולהשוות אותו למומנט המגנטי של האלקטרון. כך ייבדק עיקרון סימטריית CPT של המודל הסטנדרטי.

המאמר המדעי

T. G. Myers, L. Soucy, B. A. D. Sukra, B. Sinha, G. Gabrielse, One-Positron Quantum Cyclotron, Physical Review Letters 137, 173001, 21 באוקטובר 2026

עוד בנושא באתר הידען

מקור: הודעה לעיתונות של אוניברסיטת נורת'ווסטרן