Физики удерживали один позитрон месяцами в квантовом циклотроне

Физики из Northwestern University смогли поймать один позитрон, античастицу электрона, и удерживать его в подвешенном состоянии несколько месяцев. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Установку авторы называют «квантовым циклотроном одного позитрона».

Антиматерия для экспериментаторов настоящий кошмар: при контакте с обычным веществом они аннигилируют со вспышкой энергии, поэтому её изоляция остаётся одной из самых сложных технических задач современной науки. Руководитель исследования Джеральд Габриэлс заявляет: если окажется, что электрон и позитрон не одинаковы, это станет «величайшим открытием в физике за последнее столетие».

Как поймать позитрон

Позитрон рождается в радиоактивном источнике натрия-22 с огромной энергией. Чтобы изучать его, учёные охлаждают частицу до 300 милликельвинов, то есть всего на доли градуса выше абсолютного нуля. Энергия при этом падает более чем на десять порядков за очень короткое время.

Самое сложное, это загнать частицу в магнитную ловушку. Позитрон ненадолго соединяется с электроном, образуя позитроний, экзотический электрически нейтральный атом. Не имея заряда, он проходит через отверстие всего в 625 микрометров в ловушку, где сильное электрическое поле ионизирует атом, и позитрон остаётся в плену. Загрузка одного позитрона занимает от 8 до 11 часов.

Зачем это нужно

Согласно Стандартной модели, Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии, но сегодня Вселенная состоит из материи. Физики десятилетиями ищут различие, нарушившее эту симметрию. У электрона и позитрона должны совпадать масса и магнитный момент (g-фактор) при противоположном знаке.

В 2023 году эта же группа измерила g-фактор электрона с точностью 0,13 части на триллион. Действующий рекорд сравнения электрона и позитрона относится к 1987 году: 2,1 части на триллион. С новым циклотроном исследователи рассчитывают повысить точность измерения магнитного момента позитрона примерно в 30 раз.

Пока доказано лишь, что установка работает; высокоточного измерения ещё нет. Именно оно позволит сравнить две частицы строже, чем когда-либо.