Физики поймали частицу антиматерии и удерживали её в ловушке несколько месяцев

Американским физикам удалось поймать отдельную частицу антиматерии и удерживать её в специальной ловушке на протяжении нескольких месяцев. Это серьёзное достижение, поскольку такая частица мгновенно уничтожается при столкновении со своим аналогом из обычной материи. Теперь исследователи смогут измерить её свойства с чрезвычайно высокой точностью и проверить один из фундаментальных законов физики.

Эксперимент провели учёные Северо-Западного университета США. Им удалось изолировать позитрон — античастицу электрона, которая обладает такой же массой, но противоположным электрическим зарядом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Интерес к позитронам связан с одной из крупнейших загадок современной науки. Согласно теоретическим представлениям, при рождении Вселенной должны были образоваться равные количества материи и антиматерии. Однако сегодня окружающий нас мир почти полностью состоит из обычной материи.

Проблема в том, что частица и соответствующая ей античастица при встрече аннигилируют — уничтожают друг друга с выделением энергии. Если изначально материи и антиматерии было поровну, почему одна из них практически исчезла, а другая образовала существующую Вселенную? У физиков до сих пор нет окончательного ответа.

Изучение античастиц могло бы помочь разобраться в этой загадке, но сами их свойства делают исследования чрезвычайно сложными. Например, позитрону достаточно встретить всего один электрон, чтобы произошла аннигиляция. А электроны присутствуют практически повсюду.

Позитроны известны учёным ещё с 1930-х годов. Они естественным образом возникают при радиоактивном распаде, высокоэнергетических взаимодействиях частиц и различных космических процессах. Однако наблюдать их появление значительно проще, чем изолировать отдельную частицу для длительного изучения.

Для этого физики используют электромагнитные ловушки, позволяющие удерживать заряженные частицы в вакууме, не допуская соприкосновения со стенками устройства. Но возникает другая проблема: позитроны, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают слишком высокой энергией, чтобы их можно было сразу захватить.

«Самая большая сложность заключается в том, чтобы заставить позитрон, вылетающий из ядра при радиоактивном распаде с очень высокой энергией, достаточно замедлиться для захвата в ловушку», — объяснил руководитель исследования Джеральд Габриэльзе.

Большинство позитронов при попытке замедления сталкиваются с электронами экспериментальной установки и исчезают. Команде физика Тома Майерса предстояло одновременно решить две задачи: снизить скорость античастицы и переместить её в ловушку, не допустив аннигиляции.

Источником позитронов служил радиоактивный изотоп натрия. При его распаде испускались античастицы с энергией до 546 килоэлектронвольт, что соответствует скорости примерно 88% от скорости света.

Чтобы замедлить настолько быстрые позитроны, исследователи использовали монокристалл вольфрама. На первый взгляд это кажется парадоксальным решением: для сохранения антиматерии её необходимо изолировать от обычного вещества, а учёные специально направляли античастицы внутрь него.

Однако именно взаимодействие с веществом позволяло уменьшить их энергию. Попадая в кристалл, положительно заряженные позитроны взаимодействовали с отрицательно заряженными электронами. Часть кинетической энергии передавалась атомам вольфрама, вызывая их возбуждение или ионизацию.

Подавляющее большинство позитронов при этом уничтожалось. Но небольшая часть выживала и покидала поверхность кристалла уже значительно замедленной.

Особенно важно, что эти позитроны выходили из вольфрама в составе позитрония — необычной системы, состоящей из электрона и позитрона.

Обычно такое сочетание обречено на аннигиляцию. Но в эксперименте частицы находились в сильно возбуждённом квантовом состоянии, благодаря которому сохраняли сравнительно большое расстояние друг от друга. Это на короткое время задерживало их уничтожение и позволяло доставить позитрон к ловушке.

Конструкция устройства тоже была необычной. Через крошечное отверстие шириной всего 640 микрометров позитроний попадал внутрь специальной камеры. Там электрическое поле отделяло электрон от позитрона, оставляя в ловушке только античастицу.

Устройство, известное как ловушка Пеннинга, использует сочетание электрических и магнитных полей для удержания заряженных частиц без физического контакта со стенками.

Чтобы максимально защитить позитрон от внешних воздействий, исследователи создали чрезвычайно глубокий вакуум и охладили установку до 300 милликельвинов — всего на небольшую долю градуса выше абсолютного нуля. Для охлаждения использовалось оборудование со сверхпроводящим магнитом.

После этого оставалось дождаться успешного захвата.

«Мы включаем детектор и ждём. В конце концов появляется электрический сигнал от захваченного позитрона. Затем мы отодвигаем радиоактивный источник от ловушки, чтобы туда не попали дополнительные частицы», — рассказал Габриэльзе.

Созданная система позволила удерживать единственный позитрон на протяжении нескольких месяцев. Однако сохранить античастицу было лишь первым этапом эксперимента. Для проверки фундаментальных законов физики необходимо было научиться управлять её квантовым состоянием и измерять его без разрушения.

В сильном магнитном поле позитрон движется по крошечным круговым траекториям. Такое движение называется циклотронным. Исследователи охладили частицу до минимального квантового энергетического состояния, после чего начали воздействовать на неё точно настроенным микроволновым излучением.

Это позволило переводить позитрон между отдельными энергетическими уровнями, изменяя его энергию ровно на один квант за раз.

Самым важным оказалось то, что учёные смогли регистрировать такие переходы, а также изменения спина позитрона, не нарушая измеряемые квантовые состояния.

«Моя исследовательская группа много лет стремилась создать квантовый циклотрон с одним позитроном, поэтому наблюдать, как частица совершает энергетические переходы по одному кванту, было чрезвычайно приятно», — признался Габриэльзе.

По его словам, успешный эксперимент также стал результатом многолетней напряжённой работы Тома Майерса над докторской диссертацией.

Но зачем физикам понадобилось настолько точно управлять единственной античастицей?

Одна из главных целей связана с фундаментальным принципом, известным как СРТ-симметрия. Согласно ему, основные законы физики должны оставаться неизменными при одновременном выполнении трёх преобразований: замене частиц на античастицы, пространственном отражении и обращении направления времени.

Из этого принципа следует, что определённые свойства частиц и соответствующих им античастиц должны строго совпадать.

Например, электрон и позитрон обладают магнитным моментом. Это физическая характеристика, благодаря которой каждая частица в некотором смысле ведёт себя как крошечный магнит. Согласно теории, магнитные моменты электрона и позитрона должны быть равны по величине, но противоположны по знаку.

Магнитный момент электрона уже измерен с исключительно высокой точностью. Теперь исследователи надеются провести столь же точное измерение для позитрона.

Если абсолютные величины магнитных моментов окажутся одинаковыми, это станет самым точным подтверждением СРТ-инвариантности Стандартной модели — фундаментальной теории, описывающей свойства и взаимодействия элементарных частиц.

Но если учёные обнаружат даже небольшое расхождение, результат может оказаться ещё более значимым, поскольку поставит под вопрос точность существующих теоретических представлений.

На момент публикации исследования измерения магнитного момента позитрона ещё продолжались. Команда рассчитывала представить результат в начале следующего года, хотя столь сложная работа может потребовать дополнительного времени.

И даже если эксперимент полностью подтвердит теоретические предсказания, главная загадка никуда не исчезнет.

Как отметил Габриэльзе, это лишь углубит вопрос о том, каким образом Стандартная модель способна настолько точно предсказывать результаты физических измерений и одновременно не объяснять некоторые основные особенности существующей Вселенной.

Ведь согласно нашим представлениям о ранней Вселенной, материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах. Но по неизвестной причине обычная материя получила огромное преимущество.

Новая технология пока не даёт ответа на вопрос, почему это произошло. Зато она позволяет исследовать свойства антиматерии с точностью, которая прежде была недоступна. А значит, у физиков появился новый инструмент для проверки законов, лежащих в основе нашего понимания Вселенной.