Антиматерия под контролем. Физики месяцами удерживали позитрон в особом квантовом состоянии

Физики из Северо-Западного университета США впервые смогли перевести отдельный позитрон — античастицу электрона — в контролируемое квантовое состояние и удерживать его в нем в течение нескольких месяцев. Достижение позволит более точно исследовать магнитные свойства антиматерии и проверить одну из фундаментальных симметрий физики.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters. Команда под руководством профессора Джеральда Габриэльса создала систему, которую назвала однопозитронным квантовым циклотроном. В ней позитрон ведет себя подобно искусственному атому, энергетическими квантовыми состояниями которого можно точно управлять и наблюдать.

Удерживать антиматерию сложно, поскольку при контакте с обычной материей частицы аннигилируют — взаимно уничтожаются с высвобождением энергии. Потому позитрон нельзя просто поместить в обычный контейнер. Исследователи использовали специальную ловушку с электрическими и магнитными полями, которые удерживали частицу в свободном пространстве, не позволяя ей касаться стенок устройства.

Позитроны для эксперимента получали при радиоактивном распаде ядер натрия-22. Сначала исследователи замедлили быстрые частицы, после чего поместили позитрон в почти идеальный вакуум. Внутреннюю часть ловушки охладили примерно до 0,3 кельвина — всего на 0,3 градуса выше абсолютного нуля, составляющего −273,15 °C. В таких условиях позитрон перешел в свое квантовое основное состояние и мог оставаться в нем в течение месяцев.

Ученые также продемонстрировали, что способны точно управлять энергетическими состояниями позитрона. Для этого они применяли микроволны, передавая частице небольшие порции энергии, а затем фиксировали квантовые переходы между разными состояниями. Такой контроль необходим для будущих измерений магнитных свойств позитрона.

Главная цель исследователей — сравнить эти свойства с характеристиками электрона. Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, электрон и позитрон должны быть почти идеальными зеркальными аналогами. Ранее команда Габриэльса измерила магнитный момент электрона с точностью примерно до одной части на 10 триллионов. Теперь ученые планируют провести аналогичный эксперимент с позитроном.

Если измерения выявят отличия, это может свидетельствовать о неидеальности Стандартной модели — теории, описывающей фундаментальные частицы и три из четырех известных фундаментальных взаимодействий. Несмотря на многочисленные успешные проверки, она не объясняет, почему в наблюдаемой Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии.

По современным представлениям, Большой взрыв должен породить примерно одинаковое количество материи и антиматерии. Если бы они были представлены в равных количествах и полностью аннигилировались, образование Вселенной в его нынешнем виде было бы трудно объяснить. Поэтому поиск даже малейших отличий между частицами и античастицами может помочь раскрыть одну из самых больших загадок физики.

По словам Габриэльса, если магнитные свойства электрона и позитрона окажутся неодинаковыми, это станет очень важным открытием. В то же время, исследователи пока не сообщают об обнаружении такой разницы: нынешняя работа создает экспериментальную основу для будущих сверхточных измерений.