Античастица в ловушке из полей приближает физиков к разгадке исчезнувшей антиматерии

Физики из Северо-Западного университета (Northwestern University) впервые добились того, что одиночный позитрон — античастица электрона, оказался в строго контролируемом квантовом состоянии: его удержали в магнитном поле ловушки и охладили почти до абсолютного нуля, что открывает путь к измерению магнитного момента позитрона с рекордной точностью и к самой строгой на сегодня проверке фундаментальной симметрии между материей и антиматерией. Результаты приняты к публикации в журнале Physical Review Letters.

Антиматерия звучит как что-то из фантастических романов, но на самом деле это вполне обычная часть физики, просто очень капризная в обращении. Дело в том, что каждая частица обычного вещества имеет своего антипода — двойника с противоположным электрическим зарядом и некоторыми другими свойствами. У электрона таким двойником является позитрон: он весит ровно столько же, но заряжен положительно. Пока античастица летит в одиночестве, с ней ничего не происходит, однако стоит ей встретить своего обычного собрата, как оба партнера мгновенно исчезают, превращаясь в порцию энергии — этот процесс и называют аннигиляцией.

Именно из-за такой смертельной «несовместимости» с любым обычным веществом изучать позитрон в привычном сосуде невозможно: стенки такого сосуда, состоящие из атомов, мгновенно погубят античастицу при первом же касании. Поэтому физикам приходится идти на хитрость: удерживать позитрон в буквально пустом пространстве, вдали от любого вещества, с помощью невидимых электрических и магнитных полей. Именно поэтому достижение группы Джеральда Габриэльсе из Северо-Западного университета выглядит столь впечатляюще: исследователи не просто на мгновение поймали одну-единственную античастицу, а научились держать ее в такой невидимой ловушке месяцами, не давая ей соприкоснуться ни с чем материальным..

Как это устроено? Позитроны рождаются при радиоактивном распаде, в эксперименте использовали редкий изотоп натрий-22. Вылетающая частица несет огромную энергию, поэтому сначала ее основательно замедляют, а затем помещают в почти идеальный вакуум внутри специальной ловушки, где электрические и магнитные поля не дают ей соприкоснуться со стенками.

Внутренность ловушки охлаждена примерно до 300 милликельвинов, что всего на 0,3 градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре позитрон переходит в свое квантовое основное состояние и ведет себя как искусственный атом с четкими уровнями энергии. Более того, подавая точно настроенные микроволны, ученые могут добавлять частице крошечные порции энергии и регистрировать возникающие квантовые переходы, то есть не просто удерживать античастицу, а управлять ею.

Зачем все это нужно? Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон и позитрон должны быть почти идеальными зеркальными отражениями друг друга. Раньше команда Габриэльсе измеряла магнитный момент электрона с точностью около одной части на десять триллионов — это одно из самых точных измерений элементарной частицы в истории.

Теперь исследователи планируют провести такое же квантовое измерение для позитрона и сравнить результаты. Если величины совпадут, симметрия материи и антиматерии получит самое точное подтверждение. Если же обнаружится разница, это станет трещиной в Стандартной модели и, возможно, подсказкой к разгадке главной загадки Вселенной: почему после Большого взрыва, который должен был породить равные количества материи и антиматерии, вокруг нас осталась только материя. Сами авторы исследования говорят, что неравенство этих измерений стало бы величайшим открытием в физике за последнее столетие.

В итоге исследование показало, что одиночный позитрон можно месяцами удерживать в вакууме, охлаждать до квантового основного состояния и целенаправленно переводить между энергетическими уровнями с помощью микроволн. Это первый в истории однопозитронный квантовый циклотрон — инструмент, который должен обеспечить наиболее точную на сегодняшний день проверку симметрии между электроном и его античастицей и, возможно, приблизить физиков к пониманию того, почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии.