Ученые поймали частицу антиматерии и несколько месяцев удерживали её в клетке

Физики из американского университета смогли на несколько месяцев изолировать один позитрон в криогенной сверхпроводящей вакуумной ловушке. Такой результат создаёт условия для более точного сравнения свойств частиц и античастиц. Об этом сообщает Science.

Зачем это нужно

Исследование может помочь проверить, почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из обычной материи, хотя у каждой частицы есть античастица, способная при встрече с ней аннигилировать.

В чём сложность

Главной технической задачей было замедлить позитрон, рождающийся при радиоактивном распаде с высокой энергией.

«Самая большая проблема — убедить позитрон, выброшенный из ядра при радиоактивном распаде с высокой энергией, замедлиться настолько, чтобы его можно было захватить», — объяснил физик Джеральд Габриэльс.

Даже одного столкновения с электроном достаточно для уничтожения позитрона, а электроны присутствуют практически повсюду.

Как удалось захватить частицу

Группа Тома Майерса получила частицы из радиоактивного изотопа натрия. Их энергия составляла около 546 килоэлектронвольт, что соответствует примерно 88 процентам скорости света. Позитроны направляли через монокристалл вольфрама, где они передавали часть кинетической энергии электронам кристалла; большинство частиц после этого аннигилировало, но некоторые выходили замедленными и временно образовывали позитроний — связанное состояние электрона и позитрона.

Такое состояние позволяло выиграть время для доставки частицы в ловушку. В ней электрические и магнитные поля удерживали позитрон, не позволяя ему коснуться стенок, а температура около 300 милликельвинов сохраняла его изолированным.

«Мы включаем детектор и ждём. В конце концов видим электрический сигнал от захваченного позитрона. Затем извлекаем радиоактивный источник», — рассказал Габриэльс.

Что делали дальше

После захвата исследователям потребовалось научиться с высокой точностью контролировать движение частицы. В магнитном поле позитрон совершает небольшие круговые движения, называемые циклотронными. Учёные охладили его до минимального квантового энергетического состояния, а затем с помощью микроволн переводили между уровнями по одному кванту, фиксируя изменения без разрушения квантовых состояний.

Цель эксперимента

Одной из главных целей эксперимента стала проверка CPT-симметрии, согласно которой совместное обращение заряда, чётности и времени не должно менять законы физики. Из этого следует, что частицы и античастицы имеют ряд одинаковых характеристик. Электрон и позитрон обладают магнитным моментом равной величины, но противоположного знака; Габриэльс рассчитывает измерить момент позитрона с точностью, сопоставимой с точностью измерений для электрона.

«Если величины совпадут, это будет наиболее точным подтверждением CPT-инвариантности Стандартной модели — самого фундаментального описания физической реальности», — заключают физики.

Окончательные результаты команда надеется представить в начале следующего года.

Справка

Позитрон — античастица электрона, открытая в 1932 году; при столкновении с электроном обе частицы аннигилируют, испуская гамма-кванты.

Позитроний — связанное состояние электрона и позитрона, существующее доли наносекунды; его используют для проверки квантовой электродинамики.

CPT-симметрия — фундаментальный принцип, утверждающий, что законы физики не меняются при одновременном обращении заряда, пространственной чётности и направления времени.

Нарушение CPT-симметрии означало бы необходимость пересмотра Стандартной модели.

Ловушка Пеннинга — устройство, использующее электрические и магнитные поля для удержания заряженных частиц; именно в такой ловушке удерживался позитрон.