นักฟิสิกส์จับอนุภาคปฏิสารในกับดักควอนตัมเพื่อไขปริศนาจักรวาล

หากการระเบิดใหญ่ของจักรวาลสร้างปริมาณของสสารและปฏิสสารเท่ากัน ทุกสิ่งทุกอย่างที่มีอยู่ในปัจจุบันก็ควรจะถูกทำลายซึ่งกันและกันเมื่อหลายพันล้านปีก่อน อย่างไรก็ตาม โลกของเรายังคงมีอยู่ ขณะนี้ นักฟิสิกส์จาก Northwestern University อาจพบเหตุผล ทีมงานที่นำโดยศาสตราจารย์ Gerard Gabrielse และนักศึกษาปริญญาเอก Thomas Myers ได้จับ ทำให้เย็นลง และขังโพซิตรอนเพียงตัวเดียว (อนุภาคปฏิสสารของอิเล็กตรอน) และนำไปสู่ "สถานะควอนตัมที่ควบคุมได้อย่างมาก" ที่น่าทึ่ง นี่เป็นครั้งแรกที่สร้าง "เครื่องเร่งอนุภาคควอนตัมโพซิตรอน" ขึ้นมา

การควบคุมควอนตัมของโพซิตรอน

สสารปกติประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ในขณะที่จักรวาลปฏิสสารประกอบด้วยโพซิตรอน โปรตอนปฏิสสาร และนิวตรอนปฏิสสาร อย่างไรก็ตาม การศึกษาปฏิสสารนั้นมีความยุ่งยากอย่างมาก เมื่ออนุภาคปฏิสสารสัมผัสกับสสารปกติ ทั้งสองจะทำลายกันในทันทีและปล่อยพลังงานออกมา โพซิตรอนไม่สามารถเก็บไว้ในภาชนะได้ เนื่องจากการสัมผัสกับสสารปกติจะทำลายมันในทันที ดังนั้น การศึกษาสิ่งเหล่านี้จึงต้องมีการจัดการอย่างระมัดระวัง แม้ว่าปริมาณที่ใช้จะไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงในการระเบิดจริงๆ Gabrielse กล่าวไว้ว่า "หากเราต้องการศึกษาปฏิสสาร เราต้องจัดการอย่างระมัดระวัง ชัดเจนว่านี่ไม่เป็นอันตราย

เราไม่มีปฏิสสารเพียงพอที่จะสร้างการระเบิด"

การควบคุมควอนตัมของโพซิตรอน

ในการศึกษานี้ นักฟิสิกส์จับโพซิตรอนเพียงตัวเดียวจากการสลายตัวของรังสี ทำให้มันเย็นลงจนใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ และใช้สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าในการขังมันไว้ในสุญญากาศ สถานะนี้สร้างเครื่องเร่งอนุภาคควอนตัมโพซิตรอน ทำให้อนุภาคสามารถทำงานได้เหมือน "อะตอมที่สร้างขึ้น" โดยที่ระดับพลังงานสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ โดยไม่ต้องสัมผัสกับสสารปกติและทำให้เกิดการทำลาย ในการศึกษานี้ นักวิจัยจับโพซิตรอนพลังงานสูงที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวของโซเดียม-22 ทำให้มันช้าลงและนำไปยังกับดักแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกแบบมาเฉพาะ

เมื่อเข้าไปแล้ว อุณหภูมิภายในจะถูกลดลงเหลือ 300 มิลลิเคลวิน (สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียง 0.3 องศา) โพซิตรอนลอยอยู่ในสุญญากาศที่เกือบสมบูรณ์ ไม่เคยสัมผัสกับผนังใดๆ หลังจากกำจัดเสียงรบกวนจากภายนอก มันจะมีเสถียรภาพในสถานะพลังงานต่ำสุด โดยพื้นฐานแล้วทำตัวเหมือนอะตอมที่สร้างขึ้น นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมมันได้นานหลายเดือน Gabrielse กล่าวไว้ว่า "เราทำให้มันเย็นลงถึงอุณหภูมิที่ต่ำมาก ทำให้มันเข้าสู่สถานะควอนตัมพื้นฐาน เราได้ชี้นำโพซิตรอนที่รวดเร็วนี้ให้มันอยู่ที่นั่นและทำตัวได้นานหลายเดือน"

ค้นหาข้อบกพร่องในโมเดล

ค้นหาความแตกต่างระหว่างสสารและปฏิสสาร

โมเดลมาตรฐานอธิบายอนุภาคพื้นฐานและแรงพื้นฐานสี่ประเภทในจักรวาลสามประเภท แต่ฟิสิกส์รู้ว่ามันไม่สมบูรณ์ เนื่องจากไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมสสารถึงมีความโดดเด่นเหนือปฏิสสาร นักวิจัยจาก Northwestern University แสดงให้เห็นว่าพวกเขาใช้คลื่นไมโครเวฟที่ปรับแต่งอย่างแม่นยำในการกระตุ้นและสังเกตการเปลี่ยนแปลงควอนตัมของโพซิตรอนที่ถูกขังอยู่ การควบคุมในระดับนี้ช่วยให้สามารถวัดโมเมนตัมแม่เหล็กของโพซิตรอนได้อย่างแม่นยำ โดยทำซ้ำการทดลองวัดโมเมนตัมแม่เหล็กของอิเล็กตรอนก่อนหน้านี้ โดยมีความแม่นยำถึงสิบล้านส่วน การเปรียบเทียบการวัดทั้งสองนี้จะช่วยให้นักฟิสิกส์ค้นหาความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างสสารและปฏิสสาร

Gabrielse กล่าวไว้ว่า "ทฤษฎีปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าระหว่างการวัดทั้งสองนี้จะไม่มีความแตกต่าง หากผลลัพธ์ไม่เท่ากัน นั่นจะเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ในรอบศตวรรษที่ผ่านมา"

หากมีความแตกต่างระหว่างการวัดทั้งสองนี้ อาจทำลายโมเดลมาตรฐาน และในที่สุดจะให้เบาะแสว่าทำไมสสารถึงชนะในสงครามระหว่างจักรวาล ทำให้จักรวาลของเรามีอยู่ ผลการศึกษานี้ได้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ 21 ตุลาคมในวารสาร Physical Review Letters

ผลกระทบของการศึกษาพโพซิตรอนต่อฟิสิกส์

การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงวิธีการควบคุมปฏิสสารในสภาวะสุดขีด ซึ่งเปิดทางใหม่ในการสำรวจฟิสิกส์ การควบคุมควอนตัมของโพซิตรอนไม่เพียงแต่จะเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับปฏิสสาร แต่ยังอาจเปิดเผยสาเหตุที่สสารมีความโดดเด่นในจักรวาล หากผลการวัดแสดงให้เห็นว่ามีความแตกต่างระหว่างสสารและปฏิสสาร จะท้าทายโมเดลมาตรฐานที่มีอยู่ และอาจเปลี่ยนแปลงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานของจักรวาล การค้นพบเหล่านี้ไม่เพียงแต่จะช่วยสนับสนุนวิทยาศาสตร์พื้นฐาน แต่ยังอาจมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งในแอปพลิเคชันทางเทคโนโลยีในอนาคต