Физики Северо-Западного университета США (Northwestern University) впервые создали квантовый циклотрон, работающий с единственным позитроном — античастицей электрона. Учёные смогли удерживать его в ловушке месяцами, охлаждать почти до абсолютного нуля и управлять его квантовыми состояниями. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но противоположный электрический заряд. При встрече с обычной материей частицы могут аннигилировать, поэтому антиматерию приходится изолировать от окружающего вещества. В эксперименте позитрон удерживали в вакуумной ловушке Пеннинга с помощью электрического и магнитного полей. Сама установка была охлаждена до 300 милликельвинов, а магнитное поле достигало 5,6 тесла. Это позволило подготовить частицу к измерениям на энергетическом уровне.
Главная особенность установки — возможность различать отдельные квантовые состояния движения и спина позитрона, не изменяя их самим процессом измерения. Для этого физики регистрировали небольшие сдвиги частоты осевых колебаний частицы в ловушке. Кроме того, конструкция резонатора подавляла самопроизвольное излучение, из-за которого возбуждённые состояния позитрона могли бы исчезнуть раньше, чем учёные успели бы их измерить.
Источник изображения: сгенерировано Muse
Теперь исследователи рассчитывают точнее измерить магнитный момент позитрона — величину, характеризующую его магнитные свойства. Магнитный момент электрона уже измерен с исключительной точностью: результат согласуется с предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц. Сопоставление измерений электрона и позитрона позволит проверить, насколько точно их свойства соответствуют фундаментальной симметрии CPT, согласно которой при соответствующем преобразовании частиц и их взаимодействий физические законы должны сохраняться.
Согласно оценке авторов, дальнейшее развитие метода может позволить измерить магнитный момент позитрона с точностью, более чем в 30 раз превосходящей возможности предыдущих измерений в этом секторе физики. Речь пока что идёт о потенциале установки: сама работа демонстрирует создание квантового циклотрона с одним позитроном, а не новое измерение магнитного момента с такой точностью.
Пока эксперимент не выявил никаких неожиданных различий между материей и антиматерией. Его значение в другом: физики получили инструмент, который позволит искать гораздо более тонкие отклонения. Если магнитные моменты электрона и позитрона окажутся несовместимы с предсказаниями CPT-симметрии, то это станет основанием пересмотреть некоторые представления о фундаментальных законах природы. Такие измерения могут помочь разобраться и в более широком вопросе: почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из материи, хотя физические теории предполагают существование соответствующей антиматерии.
