Физики месяцами держат в ловушке одну частицу антиматерии

Антиматерию, как известно, трудно хранить: коснувшись обычного вещества, она исчезает во вспышке энергии. Физики Северо-Западного университета (Northwestern, США) теперь месяцами удерживают в ловушке один-единственный позитрон — античастицу электрона — и могут управлять его квантовым состоянием, сообщил университет. Работа под руководством Джеральда Габриелса, первый автор которой — аспирант Томас Майерс, опубликована в Physical Review Letters под названием «One-Positron Quantum Cyclotron».

Как удержать антиматерию

Позитрон нельзя положить в обычный контейнер: контакт со стенками его аннигилирует. Команда использует ловушку типа Пеннинга, где электрическое и магнитное поля держат частицу в пустом пространстве, в почти идеальном вакууме. Она ни к чему не прикасается.

Позитрон появляется при радиоактивном распаде натрия-22 и сначала движется очень быстро. Исследователи замедлили его, завели в ловушку и охладили её внутреннее пространство примерно до 300 милликельвинов — на 0,3 градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре частица переходит в основное квантовое состояние.

Габриелс называет это главным результатом: по его словам, очень быстрый позитрон удалось заставить «сидеть и вести себя прилично» месяцами. Он также подчёркивает, что эксперимент не опасен: антиматерии там слишком мало для какого-либо взрыва.

Искусственный атом из антиматерии

В таком состоянии позитрон ведёт себя как искусственный атом с уровнями энергии, которые команда видит и контролирует. Посылая точно настроенные микроволны, учёные добавляли крошечные порции энергии и фиксировали переходы между квантовыми состояниями. Установку группа называет однопозитронным квантовым циклотроном.

Ранее та же команда создала аналог с одним электроном и измерила магнитный момент электрона с точностью около одной десятитриллионной — это одно из самых точных измерений элементарной частицы.

Почему это важно

Согласно Стандартной модели, электрон и позитрон должны быть почти идеальными зеркальными отражениями с одинаковыми магнитными свойствами с точностью до знака. Их сравнение с экстремальной точностью — одна из самых строгих проверок этой симметрии (CPT-симметрии). Это связано и с глубокой загадкой: Большой взрыв должен был создать поровну материи и антиматерии, но Вселенная почти целиком состоит из материи.

Следующий шаг — измерить магнитный момент позитрона тем же методом и сравнить результаты. Габриелс ожидает, что они совпадут, но говорит, что расхождение стало бы «величайшим открытием в физике за последнее столетие».

Это напоминание, что крупнейшие открытые вопросы физики изучают не только в космосе, но и на лабораторном столе — от поисков тёмной материи до лабораторного воспроизведения странных явлений вроде шаровой молнии. Работу финансировал Национальный научный фонд США.