Физики поймали частицу антивещества в ловушку: удерживали несколько месяцев

Физики из США впервые удержали одиночный позитрон в криогенной сверхпроводящей вакуумной ловушке в течение нескольких месяцев, научившись управлять его квантовыми состояниями с точностью до одного кванта. Теперь исследователи надеются сравнить магнитный момент позитрона с уже измеренным моментом электрона и сообщить о результатах в начале следующего года.

Custom Medical Stock Photo/Global Look Press

У каждой частицы есть аналог из антивещества, и при встрече они аннигилируют. Почему Вселенная искажена в пользу частиц — загадка, решение которой затрудняет склонность античастиц сталкиваться с частицами. Но физики из американского университета успешно удерживали один позитрон в криогенной сверхпроводящей вакуумной ловушке несколько месяцев — прорыв, открывающий путь к точнейшим исследованиям.

«Самая большая проблема — убедить позитрон, выброшенный из ядра при радиоактивном распаде с высокой энергией, замедлиться настолько, чтобы его можно было захватить», — объяснил физик Джеральд Габриэльс. Чтобы исчезнуть, позитрону достаточно столкнуться с одним электроном, а электроны есть везде. Электромагнитная ловушка может удерживать частицу в вакууме, но проблема — остановить частицу после распада.

Команда Тома Майерса использовала радиоактивный изотоп натрия, испускающий позитроны с энергией около 546 килоэлектронвольт — около 88 процентов скорости света. Чтобы остановить их, позитроны пропускали через монокристалл вольфрама: их положительный заряд взаимодействовал с электронами, передавая кинетическую энергию кристаллу. Большинство аннигилирует, но немногие выживают и выходят замедленными, зацепленными за электрон — это позитроний. В этом состоянии электрон и позитрон удерживаются на расстоянии, задерживая аннигиляцию ровно настолько, чтобы доставить позитрон в «плен». Ловушка Пеннинга использует электрические и магнитные поля, удерживая частицу без касания стенок; при 300 милликельвинах позитрон остаётся изолированным.

«Мы включаем детектор и ждём. В конце концов видим электрический сигнал от захваченного позитрона. Затем извлекаем радиоактивный источник», — отметил Габриэльс.

Удерживать позитрон несколько месяцев было только началом: нужно было управлять его движением с необычайной точностью. В магнитном поле он движется крошечными кругами — циклотронное движение; охладив его до наименьшей квантовой энергии, исследователи микроволнами перемещали его между энергетическими уровнями по одному кванту за раз и обнаруживали изменения, не нарушая квантовых состояний.

Зачем ловить позитрон? В начале списка — принцип CPT-симметрии. Поясним: заряд, чётность и обращение времени при совместном применении должны оставлять законы физики неизменными. Следствие — частицы и античастицы должны обладать некоторыми точно совпадающими свойствами. Электрон и позитрон обладают магнитным моментом: одинаковой величиной, но противоположным знаком. Магнитный момент электрона измерен с поразительной точностью, и теперь Габриэльс надеется сделать то же с позитроном.

«Если величины совпадут, это будет наиболее точным подтверждением CPT-инвариантности Стандартной модели — самого фундаментального описания физической реальности», — заключают физики. Теперь исследователи надеются сообщить о конечных результатах в начале следующего года: «Это углубило бы тайну того, как Стандартная модель может делать такие точные предсказания, оставаясь несовместимой с основными особенностями Вселенной».

Источник