Физики впервые создали квантовый циклотрон для одного позитрона, античастицы электрона, и научились управлять отдельными квантовыми состояниями частицы. Позитрон можно месяцами удерживать почти в полной изоляции, охлаждать до основного состояния и отслеживать мельчайшие изменения его движения. В будущем установка позволит намного точнее сравнить свойства материи и антиматерии.
Физиков прежде всего интересует магнитный момент позитрона, который определяет поведение частицы в магнитном поле. По современной теории у электрона и позитрона магнитные моменты должны совпадать по величине и иметь противоположные знаки. Подтверждённое расхождение заставило бы пересмотреть фундаментальные представления о взаимодействии частиц.
Удержать единственный позитрон оказалось непросто. Исследователи получают античастицы при распаде радиоактивного натрия-22, сильно замедляют их и отправляют в ловушку Пеннинга. Электрическое и магнитное поля удерживают заряженную частицу вдали от стенок, где встреча с обычным веществом закончилась бы аннигиляцией.
Главная хитрость понадобилась при загрузке позитрона. Большое отверстие нарушило бы работу почти закрытой микроволновой полости, которая нужна для точных измерений. Поэтому физики сначала соединяют позитрон с электроном и получают нейтральный позитроний. Атом проходит через отверстие диаметром 625 мкм, после чего электрическое поле отрывает электрон и оставляет позитрон внутри ловушки.
Поймать одну частицу пока удаётся далеко не мгновенно: загрузка занимает от восьми до 11 часов. Затем исследователи охлаждают ловушку примерно до 300 мК, или −272,85 °C. При такой температуре тепловое излучение почти не мешает измерениям, поэтому позитрон можно привести в основное квантовое состояние, а затем микроволновыми импульсами переводить между отдельными уровнями энергии.
При магнитном поле 5,6 Тл позитрон совершает циклотронное движение с частотой около 156 ГГц. Конструкция установки продлевает жизнь возбуждённого состояния примерно с 83 мс до четырёх секунд. Физикам хватает этого времени, чтобы заметить отдельные квантовые переходы и перевороты спина, не уничтожая частицу.
Рекордного измерения магнитного момента пока нет. Исследователи показали, что одиночный позитрон можно поймать, охладить, хранить месяцами, управлять его состояниями и считывать результат. Авторы рассчитывают в дальнейшем повысить точность измерений примерно в 30 раз.
Сравнение электрона и позитрона позволит проверить CPT-симметрию, один из базовых принципов квантовой теории поля. В упрощённом виде принцип требует, чтобы законы физики сохранялись при одновременной замене частиц античастицами, зеркальном отражении пространства и обращении времени. Лучшее прямое сравнение электрона и позитрона пока опирается на измерения 1987 года с точностью около 2,1 части на триллион. Новый циклотрон может заметно ужесточить эту проверку, а убедительное несовпадение свойств частицы и античастицы указало бы на физику за пределами Стандартной модели.