Første demonstration af antimateriebølgeinterferometri

Stofbølger udgør et afgørende træk ved kvantemekanikken, hvor partikler har bølgeegenskaber ud over partikelkarakteristika. Denne bølge-partikel dualitet blev postuleret i 1924 af den franske fysiker Louis de Broglie. Eksistensen af ​​stoffets bølgeegenskab er med succes blevet påvist i en række forsøg med elektroner og neutroner, såvel som med mere komplekst stof, op til store molekyler.

For antimateriale, bølgepartikel-dualiteten er også blevet bevist gennem diffraktionsforsøg. Imidlertid, forskere i QUPLAS -samarbejdet har nu etableret bølgeadfærd i et enkelt positron (antipartikel til elektron) interferensforsøg. Resultaterne er rapporteret i Videnskab fremskridt .

QUPLAS videnskabelige samarbejde omfatter forskere fra University of Bern og fra University and Politecnico i Milano. For at demonstrere bølgedualiteten af ​​enkelte positroner, de udførte målinger med et setup svarende til det såkaldte double-spalteeksperiment. Dette setup blev foreslået af fysikere, herunder Albert Einstein og Richard Feynman; det bruges ofte i kvanteteori til at demonstrere partiklers bølgetype.

I forsøget, positroner blev ledet fra en kilde til en positionsfølsom detektor. Ind i mellem, der var gitre med mønstre af to eller flere slidser, som partiklerne bevæger sig igennem. Partikler, der opfører sig som partikler, bevæger sig i lige linjer og producerer et mønster, der svarer nøjagtigt til gitteret. Hvis partiklerne har en bølget natur, et stribet interferensmønster vises på detektoren, der ser anderledes ud end gitteret. Det nye mønster genereres af superpositionen af ​​de bølger, der udsendes af kilden og rejser gennem risten.

Forskerne var i stand til at generere et sådant interferensmønster fra enkelte antimateriepartikelbølger. Det blev opnået takket være et innovativt periodeforstørrende Talbot-Lau interferometer koblet til en nukleart emulsionspositionsfølsom detektor. "Med atomemulsionerne, vi er i stand til at bestemme slagpunktet for individuelle positroner meget præcist, hvilket gjorde det muligt for os at rekonstruere deres interferometriske mønster med mikrometrisk nøjagtighed - således til en milliontedel af en meter, "forklarede Dr. Ciro Pistillo fra Laboratory of High Energy Physics (LHEP) og Albert Einstein Center (AEC) fra University of Bern. Denne funktion gjorde det muligt for forskerne at overvinde de vigtigste begrænsninger ved antimaterialeeksperimenter, nemlig lav antipartikelflux og stråle manipulationskompleksitet.

"Vores observation af energiafhængigheden af ​​interferensmønsteret beviser dets kvantemekaniske oprindelse og dermed positronernes bølgenatur, "siger professor Paola Scampoli. Eksperimentets succes baner vej til et nyt felt af undersøgelser baseret på antimateriale interferometri. Et mål er, for eksempel, at udføre tyngdekraftsmålinger med eksotiske stof-antimaterie symmetriske atomer såsom positronium. Forskerne håber at teste validiteten af ​​princippet om svag ækvivalens for antimateriale. Dette princip er grundlaget for generel relativitet og er aldrig blevet testet med antimateriale. Fremtidige forskningsfelter baseret på antimateriainterferometri kan i fremtiden give oplysninger om ubalance mellem stof og antimateriale i universet.