Физики удержали одиночный позитрон месяцами

Физики Северо-Западного университета (Northwestern University, США) создали квантовый циклотрон, который работает с одним-единственным позитроном. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Главное здесь не сам факт управления такой частицей, а то, что её удавалось удерживать месяцами и при этом манипулировать её квантовыми состояниями.

Как удержать античастицу

Позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но противоположный заряд. Стоит ему встретиться с обычным веществом, как частицы аннигилируют, поэтому позитрон изолировали в вакуумной ловушке Пеннинга, которая удерживает его электрическим и магнитным полями. Установку охладили до 300 милликельвинов, магнитное поле достигало 5,6 тесла. В таких условиях частица подготавливалась к измерениям на энергетических уровнях.

Ключевая особенность установки в том, что состояния движения и спина позитрона можно различать, не меняя их самим измерением. Для этого физики фиксировали небольшие сдвиги частоты осевых колебаний частицы в ловушке. Конструкция резонатора также подавляла самопроизвольное излучение: без этого возбуждённые состояния позитрона могли бы распасться раньше, чем учёные успели бы их зарегистрировать.

Зачем нужна проверка симметрии

Следующая задача — точнее измерить магнитный момент позитрона, величину, которая описывает его магнитные свойства. Магнитный момент электрона уже измерен с исключительной точностью, и результат согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Сравнение электрона и позитрона позволит проверить, насколько точно их свойства соответствуют симметрии CPT: согласно ей, физические законы сохраняются при определённом преобразовании частиц и их взаимодействий.

По оценке авторов, развитие метода может позволить измерить магнитный момент позитрона с точностью, более чем в 30 раз превышающей возможности предыдущих измерений в этом секторе. Однако это пока потенциал установки: в работе продемонстрировано создание циклотрона с одним позитроном, а новое измерение с такой точностью ещё не проведено.

Пока эксперимент не выявил никаких неожиданных различий между материей и антиматерией. Если же магнитные моменты электрона и позитрона окажутся несовместимы с предсказаниями CPT-симметрии, придётся пересматривать часть представлений о фундаментальных законах природы. Такие измерения могут также помочь в более широком вопросе: почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из материи, хотя теории предполагают равное количество антиматерии.

По материалам: iXBT