Физики из американского университета смогли на несколько месяцев изолировать один позитрон в криогенной сверхпроводящей вакуумной ловушке. Такой результат создаёт условия для более точного сравнения свойств частиц и античастиц. Исследование может помочь проверить, почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из обычной материи, хотя у каждой частицы есть античастица, способная при встрече с ней аннигилировать.
Главной технической задачей было замедлить позитрон, рождающийся при радиоактивном распаде с высокой энергией. «Самая большая проблема — убедить позитрон, выброшенный из ядра при радиоактивном распаде с высокой энергией, замедлиться настолько, чтобы его можно было захватить», — объяснил физик Джеральд Габриэльс. Даже одного столкновения с электроном достаточно для уничтожения позитрона, а электроны присутствуют практически повсюду.
Группа Тома Майерса получила частицы из радиоактивного изотопа натрия. Их энергия составляла около 546 килоэлектронвольт, что соответствует примерно 88 процентам скорости света. Позитроны направляли через монокристалл вольфрама, где они передавали часть кинетической энергии электронам кристалла; большинство частиц после этого аннигилировало, но некоторые выходили замедленными и временно образовывали позитроний — связанное состояние электрона и позитрона.
Такое состояние позволяло выиграть время для доставки частицы в ловушку. В ней электрические и магнитные поля удерживали позитрон, не позволяя ему коснуться стенок, а температура около 300 милликельвинов сохраняла его изолированным. «Мы включаем детектор и ждём. В конце концов видим электрический сигнал от захваченного позитрона. Затем извлекаем радиоактивный источник», — рассказал Габриэльс.
После захвата исследователям потребовалось научиться с высокой точностью контролировать движение частицы. В магнитном поле позитрон совершает небольшие круговые движения, называемые циклотронными. Учёные охладили его до минимального квантового энергетического состояния, а затем с помощью микроволн переводили между уровнями по одному кванту, фиксируя изменения без разрушения квантовых состояний.
Одной из главных целей эксперимента стала проверка CPT-симметрии, согласно которой совместное обращение заряда, чётности и времени не должно менять законы физики. Из этого следует, что частицы и античастицы имеют ряд одинаковых характеристик. Электрон и позитрон обладают магнитным моментом равной величины, но противоположного знака; как сообщает Science, Габриэльс рассчитывает измерить момент позитрона с точностью, сопоставимой с точностью измерений для электрона. «Если величины совпадут, это будет наиболее точным подтверждением CPT-инвариантности Стандартной модели — самого фундаментального описания физической реальности», — заключают физики. Окончательные результаты команда надеется представить в начале следующего года.