Физики из Северо-Западного университета впервые вывели одиночный позитрон — античастицу электрона — в тщательно контролируемое квантовое состояние.
Сначала учёные поймали быструю частицу, возникшую при радиоактивном распаде, и охладили её почти до абсолютного нуля. Затем они подвесили её в практически идеальном вакууме, чтобы она не соприкасалась с обычным веществом: такая встреча привела бы к её исчезновению.
Захватив и охладив позитрон таким способом, учёные получили то, что они называют «однопозитронным квантовым циклотроном». В этом состоянии позитрон по сути ведёт себя как искусственный атом с квантовыми уровнями энергии, которые учёные могут точно контролировать и наблюдать.
В перспективе это достижение может позволить провести самую точную на сегодня проверку фундаментальной симметрии между электронами и их античастицами.
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электроны и позитроны должны быть почти идеальными зеркальными отражениями друг друга. Измерив магнитные свойства позитрона с беспрецедентной точностью и сравнив их со свойствами электрона, физики смогут подвергнуть эту фундаментальную симметрию самой строгой проверке из всех проводившихся.
Если результаты измерений не совпадут с ожидаемыми, это покажет трещину в Стандартной модели и даст новые подсказки к давним загадкам, в том числе к вопросу, почему во Вселенной преобладает обычная материя, а не антиматерия.
«Антиматерия обязана своей популярностью научной фантастике, — сказал Джеральд Габриэлсе из Северо-Западного университета, руководивший исследованием, опубликованным в Physical Review Letters. — Если столкнуть электрон и антиэлектрон (то есть позитрон), они оба исчезнут. Мы называем это аннигиляцией — понятием, которое питает воображение писателей-фантастов.
Главная загадка Вселенной в том, что Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии. Но если бы это было так, они бы проаннигилировали, и у нас не осталось бы ничего. Очевидно, что с этой теорией что-то не так, и именно это мы пытаемся выяснить».
Габриэлсе — профессор физики имени Попечительского совета (Board of Trustees Professor) в Колледже свободных искусств и наук Уэйнберга Северо-Западного университета, где он руководит Центром фундаментальной физики. Первый автор статьи — Томас Майерс, докторант лаборатории Габриэлсе.
В поисках трещин в физике
Стандартная модель — теория, существующая уже давно, — описывает фундаментальные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной (электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное). Эксперимент за экспериментом подтверждали предсказания модели с исключительной точностью.
Тем не менее физики знают, что модель неполна. Среди её недостатков — неспособность объяснить, почему наблюдаемая Вселенная содержит несопоставимо больше материи, чем антиматерии.
«Мы знаем, что Стандартная модель где-то неверна — или по меньшей мере неполна, — сказал Габриэлсе. — Например, она не может предсказать, почему существует Вселенная, а это довольно серьёзный пробел. Мы очень точно исследуем самые фундаментальные и простые системы, чтобы найти, где теория перестаёт работать. Мы надеемся получить однозначный ответ».
Габриэлсе посвятил поискам этого ответа многие десятилетия своей карьеры. Его группа ранее разработала методы, позволяющие изолировать один электрон и измерять его магнитные свойства с исключительной точностью. Он также стал одним из пионеров методов замедления, захвата и охлаждения антипротонов, что помогло положить начало исследованиям низкоэнергетической антиматерии.
Теперь новая работа объединяет эти два направления: квантовый контроль, достигнутый для электронов, применён к одиночной частице антиматерии.
Контейнер без стенок
Почти всё на Земле состоит всего из трёх знакомых частиц: электронов, протонов и нейтронов. Вселенная из антиматерии, напротив, могла бы быть построена из их античастиц: позитронов, антипротонов и антинейтронов. По словам Габриэлсе, если бы всё на Земле состояло из антиматерии, отличить её от обычной было бы крайне трудно.
Фейерверк начинается, когда два мира встречаются. Когда электрон сталкивается с позитроном, пара аннигилирует. Это значит, что учёные не могут просто поместить позитрон в обычный контейнер. Прикосновение к стенке почти наверняка привело бы к гибели частицы.
«Если мы хотим изучать антиматерию, обращаться с ней нужно осторожно, — сказал Габриэлсе. — Чтобы было ясно: это не опасно. У нас недостаточно антиматерии, чтобы вызвать взрыв».
Для бережного обращения с частицей команда из Северо-Западного университета использовала современную ловушку, в которой специально подобранные электрические и магнитные поля удерживают позитрон в пустом пространстве. Находясь в центре контейнера, позитрон ни к чему не прикасается. Благодаря такой конструкции позитрон в лаборатории Габриэлсе остаётся в ловушке уже несколько месяцев.
От быстрого движения к покою
Поймать позитрон само по себе было непростой задачей. Позитроны могут рождаться при радиоактивном распаде некоторых атомных ядер. В этом эксперименте Габриэлсе использовал ядра натрия-22 — редкого радиоактивного изотопа натрия. Когда частицы вылетают из ядер, они несут огромное количество энергии.
Сначала команда резко замедлила позитрон, а затем направила его в почти идеальный вакуум ловушки. Внутренняя часть ловушки охлаждена примерно до 300 милликельвинов, то есть всего на 0,3 градуса выше абсолютного нуля.
«Мы охлаждаем его настолько, что он оказывается в квантовом основном состоянии, — сказал Габриэлсе. — Нам действительно удалось заставить этот очень быстрый позитрон спокойно находиться на месте и вести себя предсказуемо в течение месяцев».
Главная проверка
Габриэлсе и его команда также показали, что могут точно управлять отдельными квантовыми энергетическими состояниями позитрона и обнаруживать их. С помощью тщательно настроенных микроволн исследователи сообщали позитрону крошечные, точно выверенные порции энергии и регистрировали возникающие при этом квантовые переходы.
Такой уровень контроля необходим для конечной цели учёных: измерить магнитные свойства позитрона с исключительной точностью и сравнить их со свойствами электрона.
В предыдущей работе Габриэлсе и его команда с помощью одноэлектронного квантового циклотрона измерили магнитный момент электрона с точностью около одной части из 10 триллионов — это одно из самых точных измерений, когда-либо выполненных для элементарной частицы. Теперь, располагая пойманной антиматерией, Габриэлсе планирует провести такое же квантовое измерение для позитрона, а затем сопоставить два результата.
«Современные теории предполагают, что между двумя измерениями не будет никакой разницы, — сказал Габриэлсе. — Если окажется, что они не равны, это будет крупнейшим открытием в физике за последнее столетие».