Фізики місяцями тримають у пастці одну частинку антиматерії

Антиматерію, як відомо, важко зберігати: торкнувшись звичайної речовини, вона зникає у спалаху енергії. Фізики Північно-Західного університету (Northwestern, США) тепер місяцями утримують у пастці один-єдиний позитрон — античастинку електрона — і можуть керувати його квантовим станом, повідомив університет. Роботу під керівництвом Джеральда Габріелса, де першим автором є аспірант Томас Маєрс, опубліковано в Physical Review Letters під назвою «One-Positron Quantum Cyclotron».

Як утримати антиматерію

Позитрон не можна покласти у звичайний контейнер: контакт зі стінками його анігілює. Команда використовує пастку типу Пеннінга, де електричне й магнітне поля тримають частинку в порожньому просторі, у майже ідеальному вакуумі. Вона ні до чого не торкається.

Позитрон з’являється під час радіоактивного розпаду натрію-22 і спершу рухається дуже швидко. Дослідники сповільнили його, завели в пастку й охолодили її внутрішній простір приблизно до 300 мілікельвінів — на 0,3 градуса вище абсолютного нуля. За такої температури частинка переходить в основний квантовий стан.

Габріелс називає це головним результатом: за його словами, дуже швидкий позитрон вдалося змусити «сидіти й поводитися чемно» місяцями. Він також наголошує, що експеримент не небезпечний: антиматерії там надто мало для будь-якого вибуху.

Штучний атом з антиматерії

У такому стані позитрон поводиться як штучний атом з рівнями енергії, які команда бачить і контролює. Надсилаючи точно налаштовані мікрохвилі, вчені додавали крихітні порції енергії й фіксували переходи між квантовими станами. Таку установку група називає однопозитронним квантовим циклотроном.

Раніше та сама команда створила аналог з одним електроном і виміряла магнітний момент електрона з точністю близько однієї десятитрильйонної — це одне з найточніших вимірювань елементарної частинки.

Чому це важливо

Згідно зі Стандартною моделлю, електрон і позитрон мають бути майже ідеальними дзеркальними відображеннями з однаковими магнітними властивостями з точністю до знака. Порівняння їх з екстремальною точністю — одна з найсуворіших перевірок цієї симетрії (CPT-симетрії). Це пов’язано і з глибокою загадкою: Великий вибух мав створити порівну матерії й антиматерії, але Всесвіт майже повністю складається з матерії.

Наступний крок — виміряти магнітний момент позитрона тим самим методом і порівняти результати. Габріелс очікує, що вони збіжуться, але каже, що розбіжність стала б «найбільшим відкриттям у фізиці за останнє століття».

Це нагадування, що найбільші відкриті питання фізики досліджують не лише в космосі, а й на лабораторному столі — від пошуків темної матерії до лабораторного відтворення дивних явищ на кшталт кульової блискавки. Роботу фінансував Національний науковий фонд США.