Una trampa Penning confina una partícula cargada, en un ultra alto vacío, utilizando un campo magnético uniforme, lo que hace que la partícula se someta a un movimiento circular ciclotrón y un potencial electrostático, que hacen que la partícula oscile a lo largo del eje de la trampa, paralelo al campo magnético (ver Fig. 1). El momento magnético de la partícula, expresado como la cantidad adimensional conocida como el factor g, se puede medir con mucha precisión en esta configuración, ya que es el cociente de dos frecuencias: la frecuencia del spin de precesión de Larmor, que es la frecuencia del (débil) campo magnético oscilante necesaria para voltear(o cambiar bruscamente) la dirección del spin del protón con respecto al campo magnético en la trampa, y la frecuencia del movimiento ciclotrón de la partícula. En esencia, la frecuencia ciclotrón mide el campo magnético. Aunque hay otros métodos para medir el momento magnético del protón-(después de todo, la precesión de Larmor es la base de la resonancia magnética nuclear (NMR)-nada de esto puede aplicarse fácilmente a los antiprotones. Utilizando una trampa Penning, el momento magnético del antiprotón podría ser medido mejor que una parte en 109, una mejora de más de un millón de veces los valores existentes [ ver aquí ].
En los años 1970 y 1980, Hans Dehmelt y sus colegas de la Universidad de Washington, en Seattle, hicieron muchos avances en la precisión de la técnica de trampa Penning con partículas individuales [ ver aquí y aquí ]. Este trabajo culminó en una medición precisa del momento magnético del electrón, que proporcionó la prueba más precisa de la teoría de laelectrodinámica cuántica y el valor más preciso de la constante de estructura fina α. (Estos resultados han ahora sido sustituidos, pero sólo en los últimos años [ ver aquí ].) Dehmelt y sus colegas también compararon los momentos magnéticos de los electrones y sus antipartículas, los positrones, con una incertidumbre de sólo dos partes en 1012, dando una prueba exacta del teorema CPT para leptones [ ver aquí ].
En una trampa Penning, las frecuencias del ciclotrón y los movimientos axiales de una partícula cargada se pueden medir mediante la detección, (usándo circuitos sintonizados y preamplificadores criogénicos),de la oscilante carga imagen inducida en los electrodos de la trampa. A pesar de que la amplitud de estos movimientos son pequeños, los dos tipos de movimiento pueden ser clásicos e involucrar a muchos cuantos de energía. Pero, ¿cómo se detecta el simple volteo cuántico de un solo spin? (En los experimentos de resonancia magnética convencional, EPR y NMR, la muestra es macroscópica y contiene muchos spines.) Para resolver este problema, Dehmelt desarrolló lo que él llama el "efecto continuo Stern-Gerlach (CSG)." Si el campo magnético es deliberadamente hecho no uniforme, por lo general con una variación cuadrática la fuerza adicional, a partir de la interacción del momento magnético con el gradiente del campo magnético, cambia la frecuencia del movimiento axial por una pequeña cantidad, y este cambio de frecuencia depende de la dirección del spín del electrón. Por lo tanto, un voltéo de spin se puede detectar, de forma elegante y no destructiva, mediante la detección de la pequeña variación de la frecuencia axial. El problema con la extensión de esta técnica CSG de un electrón a un protón es que el momento magnético del protón es 658 veces más pequeño que del electrón. El pequeño cambio en la frecuencia axial debido a un voltéo(o cambio brusco) del spin del protón es por tanto muy difícil de detectar.
Con el fin de darse la mejor oportunidad para medir este cambio, Ulmer y sus colegas desarrollaron una especial trampa Penning miniatura en la cuál el electrodo central se fabricó de material ferromagnético para producir un muy fuerte gradiente de campo cuadrático. De hecho, en el centro de la trampa, este anillo ferromagnético redujo la intensidad del campo magnético uniforme, producido por un solenoide superconductor el cual rodea a la trampa, desde 1. 89 a 1. 17 tesla. Aún así, el cambio previsto en la frecuencia axial debido al voltéo del spin del protón fué de sólo 0. 19 Hz, la cuál tuvo que ser medida sobre el tope de una frecuencia axial total de 674 kHz!.
fig1, la imágen muestra la geometría simplificada de la trampa Penning usada por S Ulmer.El protón oscila axialmente a lo largo de las líneas de campo magnético debido al potencial eléctrico aplicado al anillo de electródos(indicados como + y - de acuerdo a su polaridad).Un solenoide superconductor(no mostrado) que rodea la trampa produce un campo magnético uniforme el débil campo magnético de radio frecuencias causa que el spin del protón cambie bruscamente .La interacción entre el momento magnético del spin del protón y el campo magnético no-homogéneo producido por el electródo central(hecho de material ferromagnético),resulta en un pequeño pero detectable cambio en la oscilación de frecuencia axial del protón.Crédito.Alan Stonebraker.
fig2,la imágen muestra la resonancia magnética nuclear de un simple protón.S Ulmer midió la probabilidad de un cambio brusco del spin de un simple protón confinado en una trampa Penning usándo un campo magnético oscilante .La probabilidad alcanza un máximo en la frecuencia de Larmor.Credit: S. Ulmer et al.
Por desgracia, este fué el nivel en el que la frecuencia axial derivó y fluctuó, a pesar del uso por parte del equipo de fuentes de tensión extremadamente estable y de esfuerzos para reducir la introducción de ruido externo. En el trabajo publicado, ellos obtuvieron su mejor sensibilidad a los cambios en la frecuencia axial mediante el uso de una señal de un promedio de tiempo de 80 segundos. El resultado de la raíz cuadrada media de variación entre sucesivas mediciones fue entonces de alrededor de 0. 15 Hz. Este nivel de estabilidad no ha sido suficiente para detectar de forma inequívoca los 0. 19 Hz, debidos al voltéo del spin simple.
Sin embargo, tras repetidas exposiciones del protón a radio frecuencia (RF) en la frecuencia de Larmor, ellos pudieron detectar un aumento de las fluctuaciones en la frecuencia axial. Por otra parte, variando la frecuencia de la RF, y usándo el aumento de las fluctuaciones de frecuencia axial como su señal, pudieron trazar una resonancia del cambio brusco del spin. Esta resonancia, que se muestra en la (Fig. 2), tiene una amplia, forma exponencial asimétrica. Esto se corresponde con ladistribución de Boltzmann de las amplitudes del movimiento axial del protón (en equilibrio térmico con el circuito de detección), combinado con el fuerte gradiente de campo magnético. Mediante el ajuste de la forma de la línea, ellos pudieron medir la frecuencia de Larmor (en el centro de la trampa) con una precisión de 0. 02%. Sus resultados están de acuerdo con el valor esperado de la medición del campo magnético usándo la frecuencia ciclotrón del protón una convincente demostración que de hecho ellos habían observado el voltéo (o cambio brusco) del spin de un simple protón.
Pero este no es el final de la historia. Con el fin de lograr el objetivo de una trampa Penning para medir el factor g del protón (y un antiprotón) con una precisión por debajo de una parte en 109, la colaboración alemana, al igual que su competencia en Harvard [ ver aquí ], planean inducir el voltéo del spin en una trampa Penning con un campo magnético uniforme, lo cual les dará una resonancia mucho más estrecha y luego transferirán al protón a una segunda trampa con un fuerte gradiente de campo, para detectar el voltéo del spin. (Las trampas son adyacentes y comparten el fuerte campo magnético de modo que el sentido del spin no se modifica en la transferencia.) Este esquema, que algunos de los autores ya han implementado con éxito en las mediciones de los momentos magnéticos(electrónico) de los iones tipo hidrógeno [ver aquí ], requiere suficiente estabilidad de la frecuencia axial para detectar de forma inequívoca un simple voltéo del spin. Una vez que una medición precisa del factor g del protón ha sido demostrada, una configuración similar de trampa Penning, conectada con el desacelerador de antiprotones del CERN, en Ginebra, Suiza, será utilizada para la medición de antiprotones.
Curiosamente, S. Ulmer indica que la limitación en la estabilidad de la frecuencia axial del ión no se debió a la inestabilidad en el voltaje que confina al protón. Por el contrario, creen que la inestabilidad se debe a las fluctuaciones de la energía ciclotrón: el momento magnético asociado con el movimiento ciclotrón también provoca un cambio en la frecuencia axial, y una unidad de cambio en el número cuántico ciclotrón cambiando la frecuencia axial por 0 068. Hz. En un estudio que se informó en otro lugar, ellos encontraron que las observadas fluctuaciones residuales en la frecuencia axial eran consistentes con las fluctuaciones en la energía ciclotrón a una tasa promedio de un salto cuántico cada 20 segundos. Además de la meta inmediata de la medición del factor g de antiprotones para poner a prueba la CPT, una comprensión de cómo el movimiento radial se calienta podría tener implicaciones para la investigación sobre el procesamiento de información cuántica usando electrones atrapados y iones.
artículo del físico Edmund Myers para physics.aps.
leer el estudio de S. Ulmer AQUÍ
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/49
