Вчені вперше утримали частинку антиматерії у керованому стані місяцями

Американські фізики вперше утримали одиночний позитрон — античастинку електрона — у керованому квантовому стані протягом кількох місяців поспіль. Частинку охолодили майже до абсолютного нуля й навчилися контролювати переходи між її енергетичними рівнями. Це відкриває шлях до найточнішого в історії порівняння фундаментальних властивостей матерії та антиматерії.

Експеримент провела команда Північно-Західного університету США під керівництвом професора Джеральда Габріелсе. Вчені зібрали установку, яку назвали «квантовим циклотроном з одним позитроном»: вона дозволяє досліджувати поведінку окремої античастинки, повністю виключаючи її контакт зі звичайною речовиною — контакт, який неминуче призвів би до анігіляції.

Джерелом позитронів слугував радіоактивний ізотоп натрію-22. Частинки, що виникають під час його розпаду, сповільнювали й спрямовували в електромагнітну пастку, де електричні та магнітні поля утримували їх у практично ідеальному вакуумі. Установку охолодили до −272,85 °C — лише на 0,3 градуса вище абсолютного нуля.

За таких умов позитрон вдалося перевести в основний квантовий стан циклотронного руху з мінімальною енергією. Мікрохвильове випромінювання дозволяло викликати окремі переходи між рівнями й фіксувати зміни стану частинки — фактично керуючи нею як штучним атомом. У пастці позитрон зберігався місяцями.

Головна мета дослідження — порівняти магнітні властивості електрона і позитрона з надзвичайно високою точністю. Раніше команда Габріелсе виміряла магнітний момент електрона з відносною точністю порядку однієї десяти трильйонної. Тепер дослідники планують провести аналогічні вимірювання для його античастинки.

Згідно зі Стандартною моделлю, магнітні моменти електрона та позитрона мають збігатися за величиною — з урахуванням протилежних електричних зарядів. Якщо вимірювання виявлять достовірне розходження, це вказуватиме на фізичні явища, що виходять за межі сучасної теорії.

Подібні експерименти можуть наблизити вчених до відповіді на одну з головних загадок космології: чому після Великого вибуху у Всесвіті збереглося значно більше матерії, ніж антиматерії. Поки нових відмінностей між частинками й античастинками не виявлено, однак сама можливість місяцями утримувати одиночний позитрон і точно керувати його квантовими станами вже створює основу для майбутніх надточних вимірювань.