Учёные Северо-Западного университета впервые собрались квантовый циклотрон, который способен работать с единичной античастицей электрона — позитроном. Им удалось удержать частицу в ловушке месяцами, снизить температуру установки до близкой к абсолютному нулю и управлять отдельными квантовыми состояниями позитрона. Подробности эксперимента опубликованы в журнале Physical Review Letters. В основе работы лежит долговременное удержание позитрона в вакуумной Пеннинг-ловушке, обеспечиваемое сочетанием электрических и магнитных полей.

Позитрон обладает той же массой, что и электрон, но имеет противоположный заряд, поэтому в обычной материи он способен аннигилировать. По этой причине антиматерию держат вдали от остальной материи; в эксперименте позитрон содержали в вакуумной ловушке Пеннинга, охлаждали систему до примерно 300 милликельвинов, а магнитное поле достигало 5,6 тесла. Такими условиями достигали подготовки частицы к измерениям на энергетическом уровне.

Особенность установки состоит в возможности раздельного распознавания квантовых состояний движения и спина позитрона без вмешательства в сам процесс измерения. Учёные фиксировали небольшие смещения частоты осевых колебаний позитрона в ловушке. Конструкция резонатора также подавляла самопроизвольное излучение, которое могло бы разрушить возбуждённые состояния до завершения измерений.

Теперь исследователи ставят задачу точного определения магнитного момента позитрона — характеристики, отражающей его магнитные свойства. Уже известно, что магнитный момент электрона зафиксирован с очень высокой точностью и совпадает с предсказаниями Стандартной модели. Сопоставление этих двух значений может проверить CPT-симметрию, согласно которой физические законы должны сохраняться после соответствующих преобразований частиц и их взаимодействий.

Авторы подчёркивают, что дальнейшее развитие метода может привести к измерению магнитного момента позитрона с точностью более чем в 30 раз выше существующих возможностей. Пока речь идёт о потенциале установки: сам эксперимент демонстрирует создание квантового циклотрона с одним позитроном и не претендует на новую точность измерения в этой области. Пока не выявлено никаких неожиданных различий между материей и антиматерией, но созданный инструмент открывает путь к поиску ещё более тонких отклонений, которые могли бы поставить под сомнение CPT-симметрию или потребовать переосмыслению определённых фундаментальных законов.