Мировые физические новости: «Однопозитронный циклотрон» может позволить проверить ключевое предсказание Стандартной модели
Однопозитронный квантовый циклотрон реализуется путем удержания одиночного позитрона в магнитном поле ловушки Пеннинга в течение неограниченно долгого времени. Это открывает возможность проведения квантовых измерений магнитного момента позитрона с точностью, значительно превышающей ту, что достижима при использовании классического циклотронного движения. Сравнение магнитных моментов, измеренных с помощью квантовых циклотронов для позитрона и электрона, должно обеспечить наиболее строгую проверку фундаментальной CPT-инвариантности Стандартной модели физики элементарных частиц в лептонном секторе.
Позитрон — это античастица по отношению к электрону: он обладает такой же массой, но несет электрический заряд, равный по величине, но противоположный по знаку. Подобно электрону, позитрон ведет себя как крошечный постоянный магнит; согласно одному из ключевых предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц, его магнитный момент должен быть в точности равен магнитному моменту электрона, но иметь противоположный знак.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые представили многообещающий метод проверки этого предположения, основанный на удержании одиночного позитрона в «квантовом циклотроне».
Данное предсказание вытекает из принципа, называемого CPT-симметрией. Согласно ему, если одновременно заменить все частицы на соответствующие им античастицы (C), зеркально отразить Вселенную (P) и обратить ход времени (T), то законы физики останутся неизменными. При этом наблюдатели, подобные нам, вероятнее всего, даже не заметили бы никаких перемен.
Один из наиболее чувствительных способов проверки этого принципа — сравнение магнитного момента позитрона с магнитным моментом электрона. Обнаружение хоть какого-то различия между этими величинами указывало бы на существование «новой физики», выходящей за рамки Стандартной модели.
Однако, в то время как точность измерений для электрона достигает примерно одной части на 10 триллионов, точность аналогичных измерений для позитрона на несколько порядков ниже. Основная трудность заключается в создании условий, при которых позитрон был бы достаточно изолирован и охлажден для проведения гораздо более точных измерений.
(a) Энергетические уровни квантового циклотрона с одним позитроном. (b) Электроды ловушки, удерживающие позитрон. Изображение: Phys.org
Схема установки. Криогенные сосуды Дьюара, сверхпроводящий соленоид, рефрижератор растворения и ловушка Пеннинга. Изображение: Phys.org
В своем исследовании команда подошла к решению этой задачи, взяв позитроны из радиоактивного источника натрия — они выбрасываются оттуда с чрезвычайно высокими скоростями, — а затем значительно замедлив их. Чтобы удержать один позитрон, ученые сначала позволили ему соединиться с электроном, образовав электрически нейтральный атом — позитроний, — который затем расщепляли внутри ловушки, оставляя в ней только позитрон.
Античастицу удерживали в так называемой «ловушке Пеннинга», где с помощью электрических и магнитных полей частицу заставляют вращаться на одном месте — подобно тому, как это происходит в миниатюрной версии циклотронов, используемых в ускорителях частиц. Затем ловушку охлаждали до температуры, лишь на доли градуса превышающей абсолютный ноль, что позволяло позитрону перейти в состояние с минимальной энергией вращательного движения.
Все подробности проведенных исследований можно прочитать в статье DOI:10.1103/gbkc-6nlj, находящейся в свободном доступе.