Фото: Pravda.Ru by Marina Lebedeva is licensed under Free for commercial use. Вид на ускорительное кольцо

Проблема в том, что измерить магнитный момент одиночного позитрона крайне сложно. В то время как для электрона точность измерений достигла уровня 10⁻¹³, для позитрона она долгое время оставалась на уровне 10⁻¹¹. Чтобы сократить этот разрыв, группа физиков под руководством Джеральда Габриэльса из Северо-Западного университета превратила один-единственный позитрон в квантовый циклотрон.

Ловушка для античастицы

Чтобы изучить позитрон, его нужно было сначала поймать и максимально успокоить. Ученые использовали бета-распад ядер натрия-22, после чего направили вылетевшие позитроны через монокристалл вольфрама, который работал как тормоз (модератор). В итоге одну частицу удалось запереть в ловушке Пеннинга — устройстве, где сильное магнитное поле (5,6 Тесла) заставляет частицу вращаться по кругу, а электрическое поле удерживает её вдоль оси.

Система была охлаждена до 300 милликельвинов. При такой температуре тепловой шум минимален, что позволило физикам перейти от классического описания движения к квантовому. Теперь движение позитрона представляло собой не просто вращение, а набор дискретных энергетических уровней — квантов.

Магнитная бутылка и квантовые переходы

Главной задачей было научиться определять, на каком энергетическом уровне находится позитрон, не разрушая его состояния. Для этого исследователи создали так называемую "магнитную бутылку": они добавили к основному магнитному полю небольшое квадратичное искажение. Это привело к тому, что при переходе частицы с одного энергетического уровня на другой её аксиальная частота колебаний смещалась на 3,8 герца.

Подавая микроволновое излучение с частотой около 156 гигагерц, физики зафиксировали переходы: позитрон поглощал один или два кванта энергии. Также были зафиксированы спиновые перевороты — изменение направления собственного магнитного момента частицы при сильном возбуждении. Эти данные подтвердили, что в ловушке находится строго одна частица, а время жизни её циклотронного возбуждения увеличилось с 83 миллисекунд до 4 секунд.

Этот результат не является окончательным измерением магнитного момента, но он доказывает работоспособность метода. Теперь, когда низшие уровни позитрона "разрешены" (то есть четко зафиксированы), физики могут оптимизировать установку. Конечной целью станет определение магнитного момента позитрона с точностью 10⁻¹³, что позволит либо подтвердить CPT-инвариантность для лептонов с беспрецедентной строгостью, либо обнаружить отклонение, которое потребует пересмотра Стандартной модели физики.