Атом-камикадзе пойман с поличным. Мы впервые увидели, как умирающий позитроний превращается в волну

Квантовая физика с самого начала ломала привычные представления о том, как устроено вещество. На микроскопическом уровне привычные правила перестают работать, а материя начинает вести себя совсем иначе. Один из самых неожиданных эффектов связан с тем, что то, что мы считаем частицами, в определенных условиях распространяется как волна и дает интерференционный узор.

Впервые это стало очевидно в опыте с двумя щелями. Электроны, проходя через отверстия, не оставляли на экране отдельных попаданий, как можно было бы ожидать, а складывались в чередующиеся светлые и темные полосы. Позже похожее поведение удалось зафиксировать у нейтронов, атомов гелия и даже у достаточно крупных молекул. Со временем дифракция материи заняла прочное место в квантовой механике, но при этом один важный объект долгое время оставался вне эксперимента.

Речь идет о позитронии. Он представляет собой короткоживущую связанную систему электрона и позитрона — античастицы электрона. Такая пара электрически нейтральна и существует всего доли микросекунды, прежде чем частицы аннигилируют. Равенство масс делает позитроний особенно интересным объектом для проверки квантовых эффектов, но именно эта особенность долгое время мешала напрямую наблюдать интерференцию.

Исследователи из Токийского университета науки смогли впервые решить эту задачу. Команда под руководством профессора Ясуюки Нагасимы напрямую зафиксировала дифракцию пучка позитрония. До этого момента волновые свойства этой системы существовали лишь в теории и в косвенных расчетах, без прямого экспериментального подтверждения.

Ключевым условием стало создание пучка с высокой когерентностью и точно заданной энергией. Сначала физики получили отрицательно заряженные ионы позитрония, а затем удалили лишний электрон с помощью точно синхронизированного лазерного импульса. В результате возник быстрый нейтральный пучок, достаточно стабильный для дифракционных измерений и способный пройти через экспериментальную установку до детектора.

Далее пучок направили на сверхтонкую мишень из графена. Пленка состояла всего из двух или трех атомных слоев углерода. Расстояния между атомами в кристаллической решетке хорошо совпадают с длиной волны де Бройля позитрония при выбранных энергиях, поэтому графен оказался подходящей дифракционной решеткой.

После прохождения через пленку часть атомов достигала позиционно-чувствительного детектора. Зарегистрированное распределение сигналов сложилось в четкий дифракционный узор. Такой результат однозначно указывал на волновой характер движения позитрония и хорошо согласовывался с расчетами квантовой механики.

Отдельные измерения показали еще один важный момент. Рассеяние происходило так, словно через решетку проходил единый квантовый объект, а не два слабо связанных компонента. Электрон и позитрон внутри позитрония сохраняли когерентность и вели себя как целостная система, несмотря на составную природу этого состояния.

Технические параметры эксперимента заметно превосходят прежние попытки работы с такими пучками. Энергия частиц достигала 3,3 кэВ, энергетический разброс оказался существенно уже, а направленность пучка — выше. Все измерения проводились в условиях сверхвысокого вакуума, что помогло сохранить поверхность графена чистой и избежать искажений из-за загрязнений.

Помимо фундаментальной проверки квантовых представлений, работа открывает еще и широкие практические перспективы. Электрическая нейтральность позитрония делает его удобным инструментом для неразрушающего исследования чувствительных материалов, включая изоляторы и магнитные поверхности. В более отдаленной перспективе такие пучки могут использоваться в высокоточных экспериментах с антивеществом, в том числе при проверке гравитационных эффектов, где прямых измерений до сих пор почти нет.