Физики поймали частицу антиматерии и несколько месяцев удерживали её в клетке
Согласно теории, Вселенная, по крайней мере, не должна существовать. Каждая частица во Вселенной имеет соответствующий антиматериальный аналог. Если когда-либо пара таких частиц встретится, они немедленно взаимно уничтожатся – аннигилируют в крошечном потоке энергии.
Теоретически, при рождении Вселенной должно было образоваться равное количество частиц и античастиц. Почему современная Вселенная так сильно смещена в сторону частиц — это давняя загадка, решение которой становится тем сложнее, чем чаще античастицы сталкиваются с частицами.
Однако, возможно, благодаря невероятным усилиям наконец-то удалось укротить одного из самых больших обманщиков в мире античастиц – позитрон, антиматериальный аналог повсеместно распространенного электрона.
Физики из Северо-Западного университета в США успешно удерживали одиночный позитрон в течение нескольких месяцев в криогенной сверхпроводящей вакуумной ловушке — прорыв, который, по их словам, открывает путь к самым строгим исследованиям в области физики элементарных частиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
«Самая большая проблема заключается в том, чтобы заставить позитрон, выброшенный из ядра в результате радиоактивного распада с очень высокой энергией, замедлиться достаточно, чтобы мы могли захватить его в нашу ловушку для частиц», — сказал соавтор исследования Джеральд Габриэльсе из Северо-Западного университета.
Во Вселенной позитроны образуются естественным образом различными способами – в результате космических взрывов, энергетических взаимодействий между частицами и радиоактивного распада, когда нестабильное ядро испускает положительно заряженную частицу, в остальном идентичную отрицательно заряженному электрону.
Но Вселенная не благосклонна к позитронам. Для того чтобы исчезнуть, достаточно столкнуться с одним-единственным электроном, а электроны встречаются абсолютно повсюду.
Физики могут наблюдать позитроны с 1930-х годов, но для изучения одного из них в течение длительного времени необходимо полностью изолировать его от любых других частиц.
Это непросто, но возможно. Электромагнитная ловушка может удерживать отдельную частицу в вакууме, предотвращая её случайное соприкосновение с другой частицей.
Проблема заключается в том, чтобы остановить частицу, выброшенную в процессе высокоэнергетического радиоактивного распада.
«Большинство позитронов, выходящих из источника, не замедляются и не захватываются успешно, — объяснил Габриэльсе. — В итоге они «аннигилируют» с электроном в нашем аппарате».
Решение, предложенное командой под руководством физика из Северо-Западного университета Тома Майерса, должно было решить обе задачи: затормозить движение позитрона и удержать его, не допуская контакта с электроном.
Исследователи использовали радиоактивный изотоп натрия в качестве позитронной фабрики, которая выбрасывает античастицы с энергией до 546 килоэлектронвольт — примерно 88 процентов от скорости света.
Итак, как же остановить релятивистский позитрон?
В данном случае решение заключается именно в том, чего исследователи пытались избежать — в прохождении вещества сквозь материю. Точнее, через монокристалл вольфрама.
Экспериментальная установка состояла из трех основных компонентов: источника натрия, кристалла и ловушки.
Сначала часть позитронов, испускаемых источником натрия, попадала в кристалл вольфрама, где их положительный электрический заряд взаимодействовал с отрицательно заряженными электронами в материале. Эти взаимодействия могут возбуждать или ионизировать атомы, передавая часть кинетической энергии позитрона кристаллу.
Большинство позитронов не доживают до конца. Они сталкиваются с электронами, и оба уничтожаются. Но лишь немногие выживают, значительно замедляясь и выходя из-под поверхности вольфрама, прикрепляясь к электрону, но не касаясь его. Это позитроний.
В этой конкретной форме позитрония электрон и позитрон находятся в сильно возбужденном квантовом состоянии, которое удерживает их на относительно большом расстоянии друг от друга, задерживая их неизбежную аннигиляцию ровно настолько, чтобы переместить позитрон туда, куда ему нужно – прямо в подготовленную ловушку.
Эта ловушка тоже гениальна. Крошечное отверстие, всего 640 микрометров в ширину, позволяет позитронию проникнуть внутрь, где электрическое поле отрывает электрон, оставляя позитрон.
Устройство, называемое ловушкой Пеннинга, использует комбинацию электрических и магнитных полей для удержания заряженной частицы, не позволяя ей соприкасаться со стенками.
Позитрон, удерживаемый в чрезвычайно эффективной вакуумной ловушке, охлажденной всего до 300 милликельвинов — доли градуса выше абсолютного нуля, — может оставаться изолированным от внешнего мира.
Для исследователей это напряженный опыт.
«Мы включаем детектор и ждём», — сказал Габриэльсе. «В конечном итоге мы видим электрический сигнал от захваченного позитрона. Затем мы отводим радиоактивный источник от ловушки, чтобы предотвратить попадание дополнительных позитронов».
Исследователи могли удерживать свой захваченный позитрон в течение нескольких месяцев. Но предотвращение его аннигиляции было лишь началом.
Им также необходимо было контролировать его движение с исключительной точностью.
Внутри мощного магнитного поля ловушки позитрон движется по крошечным кругам — это движение называется циклотронным движением. Охладив его до самого низкого квантового энергетического состояния, исследователи смогли затем с помощью тщательно настроенных микроволн перемещать его между дискретными энергетическими уровнями, по одному кванту за раз.
И что особенно важно, они могли обнаруживать эти изменения, а также перевороты спина позитрона, не нарушая измеряемые квантовые состояния.
«Мы с моей исследовательской группой много лет работаем над созданием квантового циклотрона, генерирующего один позитрон, поэтому наблюдение за позитроном, совершающим скачки энергии на один квант, доставило нам огромное удовлетворение», — сказал Габриэльсе.
Так зачем вообще кому-либо понадобилось бы захватывать и измерять позитрон?
На самом деле, этому есть множество очень веских причин, и где-то в самом верху списка стоит фундаментальный принцип физики, называемый CPT-симметрией.
Аббревиатура CPT расшифровывается как заряд, четность и обращение времени — три преобразования, которые при совместном применении должны оставить фундаментальные законы физики неизменными.
Одним из следствий этого принципа является то, что частицы и их антиматериальные аналоги должны обладать некоторыми свойствами, которые точно совпадают.
Например, электрон и позитрон ведут себя примерно как крошечный стержневой магнит, обладающий свойством, называемым магнитным моментом. Их магнитные моменты должны иметь одинаковую величину, но противоположный знак.
Физики уже измерили магнитный момент электрона с поразительной точностью. Теперь, благодаря возможности контролировать отдельный позитрон, Габриэльсе и его коллеги надеются сделать то же самое для его антиматериального двойника.
«Если величины совпадут, это станет наиболее точным подтверждением инвариантности Стандартной модели в рамках теории когнитивной теории поля — наиболее фундаментального математического описания физической реальности», — пояснил Габриэльсе.
Исследователи все еще находятся в процессе получения этих данных и надеются сообщить о результатах в начале следующего года, хотя, учитывая, что это лучшая на данный момент возможность понять природу такой неуловимой частицы, это может занять больше времени.
Какие бы результаты ни показали измерения, они могут стать одной из самых строгих проверок одного из фундаментальных принципов, лежащих в основе современной физики.
И даже если результаты будут полностью соответствовать теории, это оставит у физиков очень серьезные вопросы.
«Это еще больше усугубит загадку того, как Стандартная модель может делать такие точные предсказания относительно того, что мы измеряем, и при этом противоречить основным особенностям Вселенной», — сказал Габриэльсе.
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/197860-fiziki-pojmali-chastitsu-antimaterii-i-neskolko-mesyatsev-uderzhivali-ejo-v-kletke
Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"
