Вловити невловне: фізики вперше упіймали частинку антиматерії у квантову пастку

Американські фізики з Північно-Західного Університету вперше вловили та утримували позитрон у контрольованому квантовому стані.

Групі дослідників під керівництвом професора Джеральда Габріельсе та докторанта Томаса Майєрса вперше вдалось вловити, охолодити та утримувати поодинокий позитрон, створивши таким чином циклотрон, який генерує один позитрон. Вивчати антиматерію дуже непросто. Тоді як звичайна матерія складається з електронів, протонів та нейтронів, частинки антиречовини це позитрони, антипротони та антинейтрони.

Взаємодія частинок матерії та антиматерії, як відомо, призводить до анігіляції з миттєвим вивільненням енергетичного імпульсу. Позитрони не можна зберігати у контейнерах, оскільки контакт зі звичайною речовиною миттєво знищить їх.

У своєму дослідженні фізики захопили поодинокий позитрон, який утворився внаслідок радіоактивного розпаду, охолодили майже до абсолютного нуля та утримували у вакуумі з допомогою електромагнітних полів. Таким чином вони створили однопозитронний квантовий циклотрон. За цих умов частинка поводиться подібно до штучного атома з чітко регульованими енергетичними рівнями. Це також дозволяє уникнути контакту позитрона зі звичайною матерією.

Дослідники захопили високоенергетичний позитрон, який був випромінений внаслідок радіоактивного розпаду натрію-22. Частинку сповільнили та спрямували у спеціально розроблену електромагнітну пастку.

Всередині приміщення температура була лише на 0,3° вищою за абсолютний нуль. Перебуваючи майже в ідеальному вакуумі під впливом електромагнітних полів, позитрон жодного разу не контактував зі стінами. Позбавившись зайвих перешкод, частинка перейшла у низькоенергетичний стан й поводилась як штучний атом.

Стандартна модель фізики елементарних частинок описує фундаментальні частинки та три з чотирьох основних сил у Всесвіті. Однак фізики вважають її неповною, оскільки вона не пояснює, чому матерія переважає над антиматерією.

Дослідники продемонстрували змогу запускати та спостерігати за окремими квантовими переходами у захопленому позитроні з допомогою точно налаштованих мікрохвильових імпульсів. Це дозволяє надзвичайно точно вимірювати магнітний момент позитрона. Це дозволяє відтворити попередній експеримент, у якому магнітний момент електрона був виміряний з точністю до одної частки на 10 трильйонів.

Порівняння магнітних моментів частинок та античастинок дозволить фізикам виявити мікроскопічні відмінності.

Виявлення відмінностей між матерією та антиматерією може поставити під сумнів Стандартну модель. Наразі науковці близькі до того, щоб нарешті відповісти на питання, чому матерія у Всесвіті почала переважати над антиматерією.

Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters

Джерело: EurekAlert; Interesting Engineering