Один позитрон у квантовому циклотроні для перевірки CPT-симетрії
Фізики Північно-Західного університету (Northwestern University) втримали один позитрон, антиматеріальний двійник електрона, у «квантовому циклотроні», відкривши новий спосіб перевірки ключового передбачення Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Роботу під керівництвом Джеральда Габріельса опубліковано онлайн 21 жовтня в Physical Review Letters.
Позитрон має таку саму масу, що й електрон, але рівний за величиною та протилежний за знаком електричний заряд. Як і електрон, він поводиться як крихітний стрижневий магніт, і, згідно зі Стандартною моделлю, його магнітний момент, тобто сила цього магніта, має бути точно рівним і протилежним магнітному моменту електрона.
Навіщо порівнювати позитрон з електроном
Це передбачення випливає з CPT-симетрії. Вона стверджує, що якби кожну частинку замінити її античастинкою (C), Всесвіт відобразити дзеркально (P) і пустити час назад (T), усе одночасно, закони фізики не змінилися б. Один із найчутливіших тестів — порівняти магнітний момент позитрона з магнітним моментом електрона. Будь-яка різниця вказувала б на нову фізику за межами Стандартної моделі.
Вимірювання для електрона досягли точності приблизно 1 до 10 трильйонів, тоді як найкраще порівняння для позитрона на кілька порядків менш точне. Головна перешкода — помістити позитрон у середовище, достатньо ізольоване й холодне для набагато точніших вимірювань.
Як упіймали позитрон
Команда взяла позитрони з радіоактивного натрієвого джерела, яке викидає їх з надзвичайно високими швидкостями, і різко сповільнила їх. Щоб утримати один позитрон, дослідники спочатку дали йому об’єднатися з електроном у позитроній, електрично нейтральний атом. Усередині пастки позитроній розірвало, і позитрон залишився сам.
Потім античастинку втримували в пастці Пеннінга, яка за допомогою електричних і магнітних полів змушує частинку обертатися на місці, подібно до мініатюрної версії циклотронів, що застосовуються в прискорювачах частинок. Пастку охолодили до температури лише на частку градуса вище абсолютного нуля, щоб позитрон міг перейти в рух по колу з найнижчою енергією.
Зчитування руху та спіну
Оскільки енергія позитрона розділена на окремі, чітко розмежовані сходинки, дослідники могли за допомогою мікрохвиль переміщувати його вгору й униз по одній сходинці та відстежувати перевертання його спіну, властивості, пов’язаної з магнетизмом. Ці стани зчитували, стежачи за крихітними змінами в коливаннях позитрона туди й назад усередині пастки, що дає змогу виявляти і його рух, і спін, не порушуючи жодного з них.
За даними звіту, після захоплення позитрон можна зберігати кілька місяців. Це відкриває шлях до майбутніх експериментів, які зможуть виміряти його магнітний момент із точністю, співмірною з наявними вимірюваннями для електрона. Сам магнітний момент у цій роботі не вимірювали: стаття демонструє утримання та метод квантового циклотрона.
Ця робота є частиною висвітлення науки на akm.news.