7
Новый квантовый циклотрон позволяет измерять энергетические и спиновые состояния одиночной античастицы, не разрушая их при наблюдении
Физики Северо-Западного университета США (Northwestern University) впервые создали квантовый циклотрон, функционирующий с единственным позитроном — античастицей электрона. Учёные смогли удерживать его в ловушке в течение месяцев, охлаждать почти до абсолютного нуля и контролировать его квантовые состояния. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Позитрон имеет ту же массу, что и электрон, но противоположный электрический заряд. При взаимодействии с обычной материей эти частицы могут аннигилировать, поэтому антиматерию необходимо изолировать от окружающего материала. В ходе эксперимента позитрон содержался в вакуумной ловушке Пеннинга, используя электрические и магнитные поля. Установка была охлаждена до 300 милликельвинов, а магнитное поле достигало 5,6 тесла. Это дало возможность подготовить частицу к измерениям на энергетическом уровне.
Ключевая особенность установки заключается в способности различать отдельные квантовые состояния движения и спина позитрона, не изменяя их в процессе измерения. Для этого физики фиксировали незначительные сдвиги частоты осевых колебаний частицы в ловушке. Более того, конструкция резонатора подавляла спонтанное излучение, из-за которого возбужденные состояния позитрона могли бы исчезнуть до того, как учёные успели бы их измерить.
Теперь исследователи намерены более точно измерить магнитный момент позитрона — величину, характеризующую его магнитные свойства. Магнитный момент электрона уже был измерен с высокой точностью: полученный результат согласуется с предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц. Сравнение измерений электрона и позитрона позволит проверить, насколько точно их характеристики соответствуют фундаментальной симметрии CPT, согласно которой при соответствующем преобразовании частиц и их взаимодействий физические законы должны оставаться неизменными.
Как считают авторы, дальнейшее развитие метода может позволить измерить магнитный момент позитрона с точностью, более чем в 30 раз превышающей возможности предыдущих измерений в этой области физики. Пока речь идёт о потенциале установки: сама работа демонстрирует создание квантового циклотрона с одним позитроном, а не новое измерение магнитного момента с такой точностью.
На данный момент эксперимент не выявил никаких неожиданных различий между материей и антиматерией. Его значимость заключается в том, что физики получили инструмент, который позволит искать гораздо более тонкие отклонения. Если магнитные моменты электрона и позитрона окажутся несовместимыми с предсказаниями CPT-симметрии, это станет основанием для пересмотра некоторых представлений о фундаментальных законах природы. Такие измерения могут помочь разобраться и в более широком вопросе: почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из материи, несмотря на то что физические теории предполагают существование соответствующей антиматерии.
Источник