Фізики Північно-Західного університету у США вперше змогли перевести одиночний позитрон у контрольований квантовий стан і утримувати його в спеціальній пастці протягом кількох місяців. Результати дослідження опублікували 21 жовтня 2026 року в журналі Physical Review Letters. Метод дає змогу точніше вимірювати магнітні властивості антиматерії та порівнювати їх із властивостями звичайної матерії. У разі виявлення відмінностей між позитроном і електроном фізикам доведеться переглянути окремі положення Стандартної моделі — основної теорії елементарних частинок. Водночас експеримент ще не розв’язав загадку, чому у Всесвіті матерії значно більше, ніж антиматерії.
Позитрон є античастинкою електрона: вони мають однакову масу, але протилежні електричні заряди. Коли позитрон зустрічається з електроном, обидві частинки анігілюють, перетворюючись на енергію. Тому дослідники не можуть зберігати антиматерію у звичайній посудині — контакт зі стінками призвів би до її знищення. Щоб уникнути цього, команді знадобилося ізолювати частинку у вакуумі й утримувати її за допомогою електричних і магнітних полів.
Для експерименту науковці використали радіоактивний ізотоп натрію-22, під час розпаду якого утворюються позитрони з високою енергією. Спершу частинки потрібно було загальмувати, а потім спрямувати до пастки. Для цього їх пропускали крізь кристал вольфраму: взаємодія з матеріалом забирала частину енергії. Невелика частина позитронів виходила з кристала достатньо сповільненою, щоб пройти наступні етапи експерименту.
Далі позитрон потрапляв у пастку Пеннінга. У ній поєднання електричного та магнітного полів утримує заряджену частинку в обмеженій області простору, не даючи їй торкнутися стінок пристрою. Установка працювала в умовах надвисокого вакууму, а її температура становила приблизно 300 мілікельвінів — лише 0,3 градуса вище абсолютного нуля. За такої температури позитрон можна було перевести в найнижчий квантовий енергетичний стан.
Утримати частинку на тривалий час було лише частиною завдання. Дослідники також продемонстрували, що можуть керувати її квантовими станами й реєструвати зміни, не руйнуючи систему, яку вимірюють. Для цього використовували мікрохвильові імпульси з точно налаштованими параметрами. Вони передавали позитрону невеликі порції енергії, даючи змогу спостерігати переходи між окремими квантовими рівнями.
Керівник дослідження Джеральд Габріельсе з Північно-Західного університету пояснив, що наступна мета команди — виміряти магнітні властивості позитрона з надзвичайно високою точністю. Потім результати порівняють із даними для електрона. У попередніх експериментах група Габріельсе виміряла магнітний момент електрона з точністю приблизно до однієї частини на 10 трильйонів. Тепер дослідники прагнуть провести аналогічне вимірювання для його античастинки.
Порівняння має перевірити CPT-симетрію — фундаментальний принцип, відповідно до якого закони фізики залишаються незмінними за одночасного перетворення заряду, просторової парності та напряму часу. Зокрема, магнітні моменти електрона й позитрона мають бути однаковими за величиною та протилежними за знаком. Якщо вимірювання виявлять надійне відхилення від цього передбачення, це стане свідченням того, що сучасна теоретична картина потребує уточнення. Команда сподівається отримати результати порівняння у 2027 році, однак строки можуть змінитися через складність вимірювань.
Значення роботи виходить за межі перевірки однієї фізичної теорії. Стандартна модель успішно описує багато властивостей елементарних частинок, але не пояснює, чому після Великого вибуху у спостережуваному Всесвіті збереглася переважно матерія. За базовими уявленнями, на ранніх етапах космічної історії матерія й антиматерія мали утворюватися майже в однакових кількостях. Якби їх було порівну й вони повністю анігілювали, нинішня структура Всесвіту не могла б сформуватися в тому вигляді, який спостерігають астрономи.
Точніше вимірювання властивостей позитрона саме по собі не гарантує відповіді на цю загадку. Проте воно може виявити відмінності між матерією та антиматерією, які допоможуть визначити напрям подальших досліджень. Навіть якщо результати повністю відповідатимуть Стандартній моделі, це стане ще одним точним підтвердженням її передбачень, але не пояснить, чому матерія переважає у Всесвіті.
Дослідження під назвою «One-Positron Quantum Cyclotron» опубліковане в Physical Review Letters. Першим автором роботи є Томас Маєрс, аспірант лабораторії Габріельсе. Проєкт підтримав Національний науковий фонд США.
