Фізики місяцями утримували один позитрон і керували його станами

23 жовтня 2026 р. 10:31

23 жовтня 2026 р. 10:31

Фізики з Північно-Західного університету (Northwestern University) змогли утримувати одну-єдину частинку антиматерії — позитрон — у лабораторній пастці протягом місяців і керувати її квантовими станами, змінюючи їх по одному «квантовому стрибку». Свою установку вони називають «квантовим циклотроном з одним позитроном». Про роботу повідомляє видання Sci.News .

Антиматерію надзвичайно складно досліджувати, адже вона миттєво знищується при контакті зі звичайною речовиною. Позитрон, який торкається стінки будь-якої посудини, анігілює з електроном і зникає.

Як «підвісили» одну частинку антиматерії

Щоб уникнути анігіляції, команда під керівництвом професора Джеральда Ґабріельзе (Gerald Gabrielse) використала пастку Пенінга. Це пристрій, у якому поєднання електричних і магнітних полів утримує заряджену частинку в центрі майже ідеального вакууму, не даючи їй торкнутися стінок.

Пастку охолодили до приблизно 0,3 градуса вище абсолютного нуля . За таких умов тепловий рух майже зникає, і частинку можна дуже точно контролювати.

Джерелом антиматерії слугував радіоактивний ізотоп натрій-22, під час розпаду якого випромінюються високоенергетичні позитрони. Дослідники сповільнювали один із цих позитронів і завантажували його в пастку. Через невисоку інтенсивність джерела цей процес займав 8–11 годин для однієї частинки.

Квантова «драбина» для позитрона

Потрапивши в пастку, позитрон додатково охолоджували до найнижчого можливого рівня циклотронної енергії — квантового «основного стану», який можна уявити як нижню сходинку енергетичної драбини.

Потім вчені опромінювали частинку налаштованими мікрохвилями, підштовхуючи її на вищі «сходинки» цієї драбини та перевертаючи її спін. Кожну зміну вони відстежували за крихітними зсувами частоти, з якою позитрон коливається в пастці.

Розмір цих зсувів також показував, що в пастці перебуває саме один позитрон, а не кілька частинок одночасно. За словами Ґабріельзе, дослідникам вдалося настільки охолодити позитрон, що він залишався в основному квантовому стані й «поводився чемно» протягом місяців.

Перевірка Стандартної моделі та загадка антиматерії

Згідно зі Стандартною моделлю фізики елементарних частинок, електрон і позитрон мають бути майже ідеальними дзеркальними копіями один одного. Це відображає принцип CPT-симетрії , який вимагає, щоб властивості частинок і античастинок збігалися за певних перетворень.

Зокрема, їхні магнітні моменти мають бути однаковими за величиною. Будь-яка відмінність між ними означала б, що Стандартна модель неповна. Така невідповідність могла б також пролити світло на те, чому у Всесвіті так багато матерії й майже немає антиматерії, хоча Великий вибух мав би створити їх у рівних кількостях.

Нинішні теорії передбачають, що виміряні значення для електрона й позитрона збігатимуться. Однак, як зазначає Ґабріельзе, якщо виявиться, що вони не рівні, це стане однією з найважливіших подій у фізиці за останнє століття.

Що дає новий експеримент

Команда показала, що може місяцями утримувати один позитрон у контрольованих умовах і поетапно змінювати його квантові стани, точно вимірюючи відповідні частотні зсуви. Це відкриває шлях до надточного вимірювання магнітного моменту позитрона.

За оцінкою авторів, після подальшої оптимізації точність вимірювання для позитрона може досягти рівня, вже досягнутого для електрона. Такий експеримент дозволить перевірити CPT-симетрію в лептонному секторі Стандартної моделі більш ніж у 30 разів точніше , ніж це було можливо раніше.

Результати роботи опубліковані в журналі Physical Review Letters під назвою «One-Positron Quantum Cyclotron».

Наука