Физики месяцами удерживали в ловушке одиночную частицу антиматерии
В Центре фундаментальной физики Северо-Западного университета получили позитрон и месяцами удерживали его в ловушке Пеннинга в целостности и сохранности. Более того, в прорывном эксперименте, описанном в Physical Review Letters, были созданы идеальные условия для измерения свойств античастицы — что в конечном итоге поможет найти ответ к одной из основных загадок мироздания.
Позитрон — это античастица электрона: у них одинаковая масса, но противоположный электрический заряд. Получить его несложно, но долго он не просуществует — встретит первый попавшийся электрон, из которых, помимо прочего, состоит наш мир, и аннигилирует.
Благодаря сложнейшему оборудованию физики сумели удерживать позитрон в ловушке месяцами напролет. Проанализировав собранные за это время данные, они рассчитывают точно измерить его магнитный момент и тем самым разобраться с одной из главных проблем Стандартной модели элементарных частиц.
Позитроны получали в результате β-распада натрия-22. Для их замедления этот процесс проходил в условиях сильного охлаждения. Еще сильнее античастицы замедлили, пропустив их через кристалл вольфрама. Часть позитронов при этом аннигилировала, но некоторые остались невредимыми. Их поместили в сильное магнитное поле при температуре 0,3 градуса выше абсолютного нуля, получив таким образом однопозитронный квантовый циклотрон — то есть движущуюся по кругу античастицу с полностью контролируемыми квантовыми состояниями.
«Это настоящий кайф — стоять в своей лаборатории и смотреть, как позитрон совершает переходы — "квантовые скачки", как мы их называем, — между состояниями с наименьшей энергией. Ну куда уж фундаментальнее и изящнее?» — не скрывает восторга профессор Джеральд Габриэлс, руководивший исследованием.
«Поймать античастицу очень трудно, потому что любая посторонняя частица, вспышка света или мельчайшая вибрация могут ее потревожить, а саму ловушку приходится охлаждать до десятых долей градуса выше самой низкой возможной температуры», — объясняет профессор Штефан Ульмер из японского научного института RIKEN.
Но усилия стоят того, подчеркивает он: «Это имеет шанс стать одним из самых точных измерений фундаментальной константы в физике».
Габриэлс с коллегами хотят определить магнитный момент позитрона — величину, которая количественно описывает его отклик на магнитные поля. Магнитный момент электрона измерен с точностью до 13 знака после запятой, и если провести измерения антиэлектрона с сопоставимой погрешностью — можно будет их сравнить по этому параметру.
Стандартная модель предсказывает, что магнитные моменты у них должны быть одинаковыми — и это ее заметный изъян. Если материя и антиматерия настолько похожи, при рождении Вселенной их бы возникло поровну, и они должны были полностью аннигилировать, не оставив ничего.
«Стандартная модель, похоже, не согласуется — или по крайней мере существенно неполна — с базовыми чертами Вселенной, например с тем, почему она вообще существует», — констатирует Габриэлс.
Обнаружение различия между электроном и позитроном могло бы указать на некий пока неизвестный механизм, вызвавший перекос, благодаря которому существует мир — и мы в нем. Судьбоносные измерения физики рассчитывают провести в течение года.
