Загадка Вселенной на привязи: как физики смогли приручить антиматерию

Физики из Северо-Западного университета в Чикаго впервые смогли перевести одиночный позитрон — античастицу электрона — в строго контролируемое квантовое состояние. Это стало новым способом проверить фундаментальные законы физики — эксперимент открывает путь к одному из самых точных сравнений материи и антиматерии.

Сначала ученые захватили быстро движущуюся частицу, возникшую в результате радиоактивного распада, а затем охладили ее почти до абсолютного нуля. Позитрон удерживали в практически идеальном вакууме, не позволяя ему соприкоснуться с обычным веществом: при таком контакте частица аннигилировала бы — превратилась в энергию.

Охладив и изолировав позитрон, исследователи создали систему, которую назвали «одно-позитронным квантовым циклотроном». В таком состоянии позитрон ведет себя подобно искусственному атому: его квантовые энергетические уровни можно точно контролировать и наблюдать.

Это достижение в перспективе позволит провести самый точный на сегодняшний день тест фундаментальной симметрии между электронами и их античастицами.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон и позитрон должны быть практически идеальными зеркальными отражениями друг друга. Если с беспрецедентной точностью измерить магнитные свойства позитрона и сравнить их со свойствами электрона, физики смогут проверить эту симметрию строже, чем когда-либо прежде.

Если результаты измерений не совпадут с предсказаниями, это укажет на пробел в Стандартной модели и поможет приблизиться к разгадке давних загадок физики. Одна из них — почему во Вселенной преобладает обычное вещество, а не антиматерия.

Главная загадка Вселенной заключается в том, что Большой взрыв должен был породить равные количества вещества и антивещества. Но если бы это произошло, они аннигилировали бы друг с другом, и в итоге не осталось бы ничего. Очевидно, в этой теории есть какой-то пробел.

Контейнер без стенок

Почти все вещество на Земле состоит из трех знакомых частиц: электронов, протонов и нейтронов. Вселенная, состоящая из антиматерии, могла бы быть построена из их античастиц — позитронов, антипротонов и антинейтронов. Если бы вся Земля состояла из антиматерии, отличить ее от обычного вещества было бы чрезвычайно трудно.

Главное различие проявляется при их встрече. Когда электрон сталкивается с позитроном, происходит аннигиляция. Поэтому поместить позитрон в обычный контейнер нельзя: при соприкосновении со стенками он исчезнет.

Для удержания частицы команда Северо-Западного университета использовала современную ловушку, в которой специальные электрические и магнитные поля удерживают позитрон в пустом пространстве. Частица находится в центре установки и не касается ее стенок.

Благодаря такой конструкции позитрон в лаборатории остается в ловушке на протяжении нескольких месяцев.

Сначала ученые значительно замедлили частицу, а затем направили ее в ловушку с почти идеальным вакуумом. Внутри установки поддерживалась температура около 300 милликельвинов — всего на 0,3 градуса выше абсолютного нуля.

Исследователи также доказали, что способны точно управлять отдельными квантовыми энергетическими состояниями позитрона и регистрировать их. Для этого они направляли на частицу микроволны определенной частоты, передавая ей небольшие, строго дозированные порции энергии, а затем фиксировали переходы между квантовыми состояниями.

Такой контроль необходим для главной цели команды — с исключительной точностью измерить магнитные свойства позитрона и сравнить их с характеристиками электрона.

Нобелевскую премию по физике в 2026 году дали за «ледяной телескоп» для охоты за нейтрино.