Физики впервые удержали одну частицу антиматерии в управляемом квантовом состоянии
Американские физики впервые смогли перевести одиночный позитрон — античастицу электрона — в управляемое квантовое состояние и удерживать его в электромагнитной ловушке на протяжении нескольких месяцев. Исследователи охладили частицу почти до абсолютного нуля и научились контролировать переходы между её энергетическими уровнями. Достижение позволит точнее сравнить фундаментальные свойства материи и антиматерии.
Эксперимент провели учёные Северо-Западного университета США под руководством профессора Джеральда Габриэлсе. Они создали установку, получившую название «квантовый циклотрон с одним позитроном». Она позволяет изучать поведение отдельной античастицы, полностью исключая её контакт с обычным веществом, который привёл бы к аннигиляции.
Источником позитронов стал радиоактивный изотоп натрия-22. Возникающие при его распаде частицы исследователи замедляли и направляли в электромагнитную ловушку, где электрические и магнитные поля удерживали их в практически идеальном вакууме.
Установку охладили до температуры около −272,85 °C, всего на 0,3 градуса выше абсолютного нуля. При таких условиях позитрон удалось перевести в основное квантовое состояние его циклотронного движения, обладающее минимальной энергией.
С помощью микроволнового излучения учёные вызывали отдельные переходы между энергетическими уровнями частицы и регистрировали изменения её состояния. Это позволило управлять позитроном подобно искусственному атому, сохраняя его в ловушке месяцами.
Главная цель исследования — сравнить магнитные свойства электрона и позитрона с чрезвычайно высокой точностью. Ранее команда Габриэлсе измерила магнитный момент электрона с относительной точностью порядка одной десяти триллионной. Теперь специалисты намерены провести аналогичные измерения для его античастицы.
Согласно Стандартной модели, магнитные моменты электрона и позитрона должны совпадать по величине с учётом противоположных электрических зарядов. Обнаружение достоверного расхождения могло бы указать на существование физических явлений, не описываемых современной теорией.
Такие эксперименты могут помочь в поиске объяснения одной из главных загадок космологии: почему после Большого взрыва во Вселенной сохранилось значительно больше материи, чем антиматерии.
Пока исследователи не обнаружили новых различий между частицами и античастицами. Главным результатом стала возможность длительно удерживать одиночный позитрон и точно управлять его квантовыми состояниями, что создаёт основу для последующих высокоточных измерений.
Исследование в журнале Physical Review Letters.