Поймать неуловимое: физики впервые захватили частицу антиматерии в квантовую ловушку

Американские физики из Северо-Западного университета впервые уловили и удержали позитрон в контролируемом квантовом состоянии.

Группе исследователей под руководством профессора Джеральда Габриэльсе и докторанта Томаса Майерса впервые удалось уловить, охладить и удержать одиночный позитрон, создав таким образом циклотрон, генерирующий один позитрон. Изучать антиматерию очень непросто. В то время как обычная материя состоит из электронов, протонов и нейтронов, частицы антиматерии — это позитроны, антипротоны и антинейтроны.

Взаимодействие частиц материи и антиматерии, как известно, приводит к аннигиляции с мгновенным высвобождением энергетического импульса. Позитроны нельзя хранить в контейнерах, поскольку контакт с обычным веществом мгновенно уничтожит их.

В своём исследовании физики захватили единичный позитрон, образовавшийся в результате радиоактивного распада, охладили его почти до абсолютного нуля и удерживали в вакууме с помощью электромагнитных полей. Таким образом они создали однопозитронный квантовый циклотрон. В этих условиях частица ведет себя подобно искусственному атому с четко регулируемыми энергетическими уровнями. Это также позволяет избежать контакта позитрона с обычной материей.

Исследователи захватили высокоэнергетический позитрон, излученный в результате радиоактивного распада натрия-22. Частицу замедлили и направили в специально разработанную электромагнитную ловушку.

Внутри помещения температура была всего на 0,3° выше абсолютного нуля. Находясь почти в идеальном вакууме под воздействием электромагнитных полей, позитрон ни разу не соприкасался со стенками. Избавившись от лишних помех, частица перешла в низкоэнергетическое состояние и вела себя как искусственный атом.

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает фундаментальные частицы и три из четырёх основных сил во Вселенной. Однако физики считают её неполной, поскольку она не объясняет, почему материя преобладает над антиматерией.

Исследователи продемонстрировали возможность запускать и наблюдать отдельные квантовые переходы в захваченном позитроне с помощью точно настроенных микроволновых импульсов. Это позволяет чрезвычайно точно измерить магнитный момент позитрона. Благодаря этому удалось повторить предыдущий эксперимент, в котором магнитный момент электрона был измерен с точностью до одной частицы на 10 триллионов.

Сравнение магнитных моментов частиц и античастиц позволит физикам выявить микроскопические различия.

Выявление различий между материей и антиматерией может поставить под сомнение Стандартную модель. В настоящее время учёные близки к тому, чтобы наконец ответить на вопрос, почему материя во Вселенной стала преобладать над антиматерией.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters

Источник: EurekAlert; Interesting Engineering