Физики удерживали частицу антиматерии месяцами в ловушке

Физики Северо-Западного университета (США) поймали одиночный позитрон — античастицу электрона — и удерживали его в криогенной ловушке несколько месяцев.

Им удалось охладить частицу до основного квантового состояния и переводить её с уровня на уровень по одному кванту. Это открывает путь к сверхточному измерению магнитного момента позитрона и проверке одной из базовых симметрий природы.

Позитроны рождаются во Вселенной постоянно: в космических взрывах, при столкновениях частиц, при радиоактивном распаде. Но это — короткоживущие частицы. Стоит позитрону встретить электрон, и обе частицы аннигилируют.

Чтобы основательно изучать позитрон, нужно полностью изолировать его от вещества. Но сначала его надо затормозить: при распаде он вылетает почти со скоростью света. «Главная трудность в том, чтобы "уговорить" позитрон, вылетевший из ядра с огромной энергией, замедлиться настолько, чтобы его можно было поймать», — объясняет руководитель работы Джеральд Габриэлс.

Источником позитронов в новом эксперименте служил радиоактивный изотоп натрия, испускающий позитроны с энергией до 546 кэВ. Тормозили их веществом, кристаллом вольфрама. Большинство частиц в нём гибнет, но немногие выходят наружу медленными, связавшись с электроном в так называемый позитроний.

Через отверстие шириной 640 микрометров он попадает внутрь, где электрическое поле отрывает электрон. Позитрон остаётся в ловушке, охлаждённой до 300 милликельвинов.

В магнитном поле, которое создаёт ловушка, позитрон движется по крошечным окружностям. Физики охладили это круговое движение до основного квантового состояния и микроволнами переводили частицу между уровнями энергии по одному кванту.

Согласно фундаментальной CPT-симметрии магнитные моменты электрона и позитрона должны совпадать по величине и различаться знаком. Момент электрона эта же группа физиков в 2023 году измерила с точностью до триллионной доли. Теперь очередь позитрона.

Если величины совпадут, это станет самым точным подтверждением CPT-инвариантности Стандартной модели. Результат авторы надеются получить в начале следующего года.

Но и полное согласие с теорией только углубит одно из главных загадок физики: почему модель, настолько точно предсказывающая измерения, не объясняет, куда исчезло антивещество, родившееся при Большом взрыве.