Физики Северо-Западного университета поймали в ловушку одиночный позитрон — антивещественный двойник электрона — и удерживали его месяцами, считывая его квантовые состояния шаг за шагом.
Работа, опубликованная в Physical Review Letters 21 октября, описывает первый «однопозитронный квантовый циклотрон». Руководил группой Джеральд Габриэлс, профессор физики; Томас Майерс, аспирант его лаборатории, — первый автор.
Почему антивещество трудно удержать
Позитрон исчезает в тот же миг, как встречает обычную материю. Чтобы изучать его, нужно замедлить, захватить и держать вдали от любых поверхностей. Команда собирала позитроны, образующиеся при радиоактивном распаде, замедляла их и загружала одну частицу в ловушку Пеннинга: набор электрических и магнитных полей внутри герметичной вакуумной камеры.
Загрузка занимает от восьми до одиннадцати часов. После захвата частица оставалась месяцами, что и делает возможными повторные измерения.
Достаточно холодно, чтобы увидеть квантовые шаги
Диссорбционный рефрижератор охлаждал ловушку примерно до 300 милликельвинов — доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре круговое движение позитрона оседает на низшем квантовом уровне, так что каждый шаг вверх или вниз можно возбуждать микроволнами и регистрировать как небольшой сдвиг частоты.
На отработку той же техники с одиночным электроном у группы ушло около 20 лет. С антивеществом добавляется проблема: вакуум должен быть достаточно хорош, чтобы частица никогда не коснулась постороннего атома, а ловушка должна оставаться стабильной месяцами без подстройки.
Измерение, которое еще предстоит
Магнитный момент электрона измерен с точностью около одной части на десять триллионов — одно из самых точных чисел в физике. Теперь Габриэлс планирует такое же измерение для позитрона, а затем прямое сравнение.
Это сравнение проверяет CPT-симметрию — правило, согласно которому материя и антиматерия должны вести себя одинаково при обращении заряда, четности и времени. Если магнитные моменты различаются, это различие укажет на физику за пределами стандартной модели и может помочь объяснить, почему Вселенная состоит из материи почти без остатков антиматерии.
Пока команда такого различия не обнаружила. На данный момент результат — это контроль: одна античастица, удерживаемая достаточно неподвижно, чтобы за ней наблюдать, и измерительная платформа, которой раньше не существовало.