Первая демонстрация интерферометрии волны антивещества

Впервые исследователи выполнили версию знаменитого эксперимента с двумя щелями с частицами антивещества.

Эксперимент демонстрирует один из фундаментальных принципов квантовой физики: точечные частицы также являются волнами. В стандартном варианте эксперимента частицы проходят через пару щелей в твердом барьере.

На экране с другой стороны появляется интерференционная картина, типичная для волн. Гребни и впадины, выходящие из каждой щели, усиливают друг друга или компенсируют друг друга при их перекрытии, создавая чередующиеся полосы высокой и низкой плотности частиц на экране.

Двойственность волны-частицы была постулирована в 1924 году французским физиком Луи де Бройлем. Существование волнового свойства вещества было успешно продемонстрировано в ряде экспериментов с электронами и нейтронами, а также с более сложным веществом, вплоть до крупных молекул.

Для антивещества двойственность волны-частицы была также доказана с помощью дифракционных экспериментов. Теперь исследователи коллаборации QUPLAS установили волновое поведение в эксперименте по интерференции позитронов (античастиц электронов). Результаты представлены в журнале Science Advances.

Научное сотрудничество QUPLAS включает исследователей из Университета Берна и Политехнического университета Милана. Чтобы продемонстрировать волновую двойственность одиночных позитронов, они выполнили измерения с помощью установки, аналогичной эксперименту с двумя щелями. Эта установка была предложена физиками, включая Альберта Эйнштейна и Ричарда Фейнмана и часто используется в квантовой теории, чтобы продемонстрировать волновую природу частиц.

В эксперименте позитроны были направлены от источника к позиционно-чувствительному детектору. Между ними были решетки с рисунками из двух или более щелей, через которые проходят частицы. Частицы, ведущие себя как частицы, движутся по прямым линиям и создают рисунок, точно соответствующий решетке. Если частицы имеют волновую природу, на детекторе появляется полосатая интерференционная картина, которая отличается от решетки. Новый рисунок генерируется суперпозицией волн, излучаемых источником и проходящих через решетку.

Исследователи смогли создать такую ​​интерференционную картину из одиночных волн-частиц антивещества. Она была получена благодаря инновационному интерферометру Talbot-Lau с увеличенным периодом, соединенному с позиционно-чувствительным детектором ядерной эмульсии.

«С помощью ядерных эмульсий мы можем очень точно определить точку удара отдельных позитронов, что позволило нам реконструировать их интерферометрический рисунок с микрометрической точностью — с точностью до миллионной доли метра», — объяснил доктор Чиро Пистилло из Лаборатория физики высоких энергий (LHEP) и Центр Альберта Эйнштейна (AEC) Бернского университета. Эта особенность позволила исследователям преодолеть основные ограничения экспериментов с антивеществом, а именно низкий поток частиц и сложность манипуляции пучком.

«Наши наблюдения энергетической зависимости интерференционной картины подтверждают ее квантово-механическое происхождение и, следовательно, волновую природу позитронов», — говорит профессор Паола Скамполи.

Успех эксперимента открывает путь к новой области исследований, основанной на интерферометрии антиматерии. Например, цель состоит в том, чтобы выполнить измерения силы тяжести с помощью экзотических симметричных атомов вещества-антивещества, таких как позитроний.

Исследователи надеются проверить обоснованность принципа слабой эквивалентности для антивещества. Этот принцип лежит в основе общей теории относительности и никогда не был проверен с антивеществом. Будущие области исследований, основанные на интерферометрии антивещества, могли бы предоставить информацию о дисбалансе вещества и антивещества во вселенной.

S. Sala et al. First demonstration of antimatter wave interferometry, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav7610