Антиматерию впервые поймали в ловушку на месяцы — это шанс разгадать одну из главных загадок Вселенной

Физики знают, что наука об элементарных частицах и их взаимодействиях неполна. Остаётся величайшая тайна мироздания: почему после Большого взрыва материя и антиматерия не уничтожили друг друга. Мы существуем благодаря этой тайне, и учёные надеются раскрыть её в новом эксперименте, ключом к которому стала всего одна частица антиматерии.

Так, физики из Северо-Западного университета США (Northwestern University) впервые поместили одиночный позитрон — античастицу электрона — в состояние, позволяющее с высокой точностью управлять его квантовыми уровнями энергии и регистрировать переходы между ними. Частицу удалось удерживать в ловушке на протяжении нескольких месяцев, не допуская её контакта с обычным веществом. Если бы это произошло, позитрон аннигилировал бы с выделением энергии — это явление хорошо описано фантастами и знакомо почти всем.

Для получения позитронов исследователи использовали радиоактивный изотоп натрия-22, при распаде которого возникают быстрые положительно заряженные античастицы. Их предварительно замедляли, а затем захватывали с помощью ловушки Пеннинга — устройства, которое использует комбинацию электрического и магнитного полей для удержания заряженной частицы в ограниченном объёме пространства.

Внутри установки поддерживался высокий вакуум, а температура составляла около 300 милликельвинов, то есть всего 0,3 градуса выше абсолютного нуля. Благодаря охлаждению движение позитрона удалось перевести в основное квантовое состояние, соответствующее минимально возможной энергии в используемой системе. Магнитное удержание и отсутствие контакта со стенками позволяют изучать частицу, не подвергая её опасности аннигиляции. К слову, установка получила название «однопозитронный квантовый циклотрон».

Следующим важным достижением стала демонстрация управления отдельными квантовыми состояниями позитрона. Исследователи подавали на ловушку микроволновое излучение с тщательно подобранной частотой, передавая частице определённые порции энергии (кванты) и регистрируя вызванные этим квантовые переходы. Такой подход позволяет исследовать квантованное циклотронное движение позитрона — движение заряженной частицы в магнитном поле, энергия которого может принимать лишь определённые значения.

Зачем это нужно? В предыдущих экспериментах группа измерила магнитный момент электрона точно в такой же ловушке с относительной точностью примерно 10^-13. Теперь учёные намерены провести аналогичное измерение для позитрона. Это один из лучших способов проверить симметрию свойств материи и антиматерии или обнаружить малейшие различия между ними. Как известно, частицы материи и антиматерии практически идентичны по своим физическим свойствам, но имеют противоположные электрические заряды. В этом и заключается парадокс отсутствия антиматерии в окружающем нас мире и одна из загадок существования Вселенной. Если вдруг окажется, что магнитный момент позитрона ощутимо отличается от магнитного момента электрона, это перевернёт современную науку и откроет путь к новой физике.