Один позитрон поймали в квантовом циклотроне для проверки CPT-симметрии
Физики Северо-Западного университета удержали один позитрон — античного двойника электрона — в «квантовом циклотроне», открыв новый путь к проверке ключевого предсказания Стандартной модели физики элементарных частиц. Работа под руководством Джеральда Габриэльса вышла онлайн 21 октября в журнале Physical Review Letters.
Масса позитрона равна массе электрона, а электрический заряд равен ему по величине и противоположен по знаку. Как и электрон, позитрон ведёт себя как крошечный стержневой магнит, и, согласно Стандартной модели, его магнитный момент — сила этого магнита — должен быть в точности равен магнитному моменту электрона и противоположен ему.
Зачем сравнивать позитрон с электроном
Предсказание вытекает из CPT-симметрии. Она гласит: если одновременно заменить каждую частицу её античастицей (C), отразить Вселенную в зеркале (P) и пустить время вспять (T), законы физики не изменятся. Один из самых чувствительных тестов — сравнить магнитный момент позитрона с магнитным моментом электрона. Любое различие намекнуло бы на новую физику за пределами Стандартной модели.
Измерения для электрона достигли точности около одной части на 10 триллионов, тогда как лучшее сравнение для позитрона на несколько порядков менее точно. Главное препятствие — поместить позитрон в среду, достаточно изолированную и холодную для куда более точных измерений.
Как поймали позитрон
Исследователи брали позитроны из радиоактивного источника натрия, который выбрасывает их с огромной скоростью, и сильно замедляли. Чтобы удержать один позитрон, они сначала давали ему соединиться с электроном в позитроний — электрически нейтральный атом. Внутри ловушки позитроний разрывали, и позитрон оставался один.
Затем античастицу удерживали в ловушке Пеннинга, которая с помощью электрического и магнитного полей заставляет частицу кружить на месте — подобно миниатюрной версии циклотронов, применяемых в ускорителях частиц. Ловушку охладили до долей градуса выше абсолютного нуля, и позитрон занял состояние с самой низкой энергией кругового движения.
Считывание движения и спина
Поскольку энергия позитрона разбита на отчётливо разделённые ступени, исследователи могли с помощью микроволн переводить его вверх и вниз по одной ступени и отслеживать переворот спина — свойства, связанного с магнетизмом. Эти состояния считывали по крошечным сдвигам в колебаниях позитрона взад-вперёд внутри ловушки, что позволяет обнаруживать и движение, и спин, не нарушая ни того, ни другого.
По сообщению, пойманный позитрон можно хранить несколько месяцев. Это открывает путь к будущим экспериментам, которые могли бы измерить его магнитный момент с точностью, сопоставимой с существующими измерениями для электрона. Сам магнитный момент в этой работе не измеряли: в статье показаны удержание позитрона и метод квантового циклотрона.
Работа входит в научную рубрику akm.news.