Ученые Северо-Западного университета впервые подготовили одиночный позитрон — античастицу электрона — в управляемом квантовом состоянии и научились целенаправленно переключать его энергетические уровни. Об этом сообщается в опубликованной работе в Physical Review Letters. По словам исследовательской команды, достижение позволяет приблизиться к прямому измерению магнитного момента позитрона с точностью, сравнимой с той, которая ранее была достигнута для электрона. Такой уровень точности рассматривается как ключ к проверке основного предсказания Стандартной модели: магнитные свойства позитрона должны совпадать с аналогичными характеристиками электрона, за исключением знака заряда — и при этом сохранится симметрия между частицами.

Для удержания позитрона его пришлось отделить от окружающей материи в вакууме и поддерживать под действием сильных электрических и магнетических полей при температурах близких к абсолютному нулю. Частицу добыли в результате распада натрия-22. В течение нескольких месяцев исследователи сохраняли её в ловушке и затем воздействовали на неё микроволнными импульсами, переводившими позитрон между квантовыми состояниями и позволяющими наблюдать характерные переходы. Полученную систему авторы назвали однопозитронным квантовым циклотроном.

Основная задача экспертов состоит в точном измерении магнитной моментности позитрона и сопоставлении её с параметрами электрона: обе частицы имеют одинаковую массу, но заряд позитрона противоположен по знаку. По предсказаниям Стандартной модели, их магнитные характеристики должны совпадать с учётом смены знака заряда. Любое достоверное расхождение могло бы указывать на физические процессы, не охваченные нынешней теорией.

На настоящий момент значимого расхождения не отмечено: работа пока не является окончательным высокоточным измерением магнитных свойств позитрона и остаётся стадией эксперимента, направленного на достижение требуемой точности. Ранее команде удалось зафиксировать магнитный момент электрона с точностью до одной части на десять триллионов. Теперь планируется перенести этот же подход на позитрон и добиться сопоставимого уровня точности. Сравнение двух точек измерения служит проверкой симметрии материи и антиматерии на очень высокой точности.

Эта линия исследования касается одной из главных нерешённых загадок физики: почему Вселенная в итоге оказалась преобладающе материей, тогда как ранние космологические модели допускают порождение сопоставимых количеств материи и антиматерии. CP-нарушение, уже включённое в Стандартную модель, наблюдается не в достаточной мере, чтобы объяснить существующий дисбаланс. Поиск дополнительных различий между частицами и античастицами продолжается и может помочь обнаружить недостающие элементы теории. Сам эксперимент не решает вопроса доминирования материи, но создаёт инструмент для более строгой проверки фундаментальных законов физики.