Учёные впервые запечатлели, как «атом» антиматерии ведёт себя как волна

Одним из главных открытий, отделивших квантовую физику от классической, стало осознание того, что материя ведёт себя совершенно иначе на сверхмалых масштабах. Среди наиболее важных концепций выделяется корпускулярно-волновой дуализм. Иными словами, привычные частицы способны одновременно проявлять свойства волн.

Данная идея стала широко известной благодаря опыту с двумя щелями. Когда электроны пропускали через два узких отверстия, на детекторе возникал узор из чередующихся светлых и тёмных полос. Этот паттерн показал, что каждый электрон ведёт себя как волна. При этом его квантовая волновая функция проходит через обе щели сразу и интерферирует сама с собой. Позже учёные подтвердили этот эффект для нейтронов, атомов гелия и даже более крупных молекул. Так дифракция материи стала ключевым принципом квантовой механики. Однако, несмотря на прогресс, напрямую наблюдать это явление в позитронии долгое время не удавалось. Напомним, что позитроний — это недолговечная двухчастичная система, которая состоит из электрона и позитрона. Эти две частицы связаны друг с другом и вращаются вокруг общего центра масс. Поскольку оба компонента обладают равной массой, исследователи давно стремились понять, как такая система будет вести себя при формировании пучка и прохождении дифракции.

Первое наблюдение волнового поведения позитрония

Исследовательская группа из Токийского университета науки под руководством профессора Ясуаки Нагасимы (к нему присоединились доцент Юго Нагата и доктор Рики Миками) наконец достигла этой цели. Учёным удалось продемонстрировать дифракцию материи в пучке позитрония. Используемый в эксперименте пучок обладал необходимым диапазоном энергий и когерентностью для получения чётких интерференционных эффектов. Результаты, опубликованные в Nature Communications, представляют собой весомое новое доказательство волновой природы антиматерии в необычной системе.

Профессор Нагасима отмечает: «Позитроний — это простейший атом, состоящий из частиц равной массы. До момента самоаннигиляции он ведёт себя как нейтральный атом в вакууме. Теперь, впервые, мы наблюдали квантовую интерференцию пучка позитрония. Это может проложить путь для новых исследований в фундаментальной физике с использованием позитрония».

Создание высококачественного пучка позитрония

Прорыв стал возможным благодаря получению высокоточного управляемого пучка позитрония. Для этого исследователи сначала сгенерировали отрицательно заряженные ионы позитрония. Затем они использовали тщательно синхронизированный лазерный импульс, чтобы удалить лишний электрон. В результате получился быстрый, нейтральный и когерентный поток атомов позитрония.

Далее этот пучок направляли на лист графена. Важно подчеркнуть, что расстояние между атомами в графене точно соответствовало длине волны де Бройля для позитрония при используемых в эксперименте энергиях. Когда атомы позитрония проходили через лист графена (толщиной в два-три слоя), часть из них достигала детектора. Полученные измерения выявили отчётливую дифракционную картину. Тем самым было подтверждено волнообразное поведение.

Чёткие дифракционные паттерны и квантовое поведение

В сравнении с более ранними методиками, данный метод создаёт пучки позитрония с более высокими энергиями — до 3,3 кэВ. Кроме того, он обеспечивает более узкий разброс энергий и гораздо более направленный пучок. Проведение эксперимента в сверхвысоком вакууме позволило сохранить поверхность графена чистой, благодаря чему дифракционную картину удалось наблюдать особенно отчётливо.

Результаты показали, что, хотя позитроний состоит из двух частиц, он ведёт себя как единый квантовый объект. Электрон и позитрон дифрагируют не по отдельности, а вместе как одна волна. Доктор Нагата комментирует: «Это экспериментальное достижение знаменует собой крупный прогресс в фундаментальной физике. Оно не только демонстрирует волновую природу антиматерии как связанной системы лептон-антилептон, но и открывает пути для прецизионных измерений с участием позитрония».

Команда также проверила, будет ли позитроний давать интерференцию так же, как одиночная частица (например, электрон). Полученные данные подтвердили, что да. Это подкрепляет идею о том, что позитроний функционирует как целостная квантовая единица.

Будущее применение в материаловедении и исследованиях антиматерии

Помимо подтверждения квантовых свойств, дифракция позитрония способна привести к практическим приложениям. Поскольку позитроний не имеет электрического заряда, он может оказаться полезным для анализа поверхностей материалов без их повреждения. Это делает его особенно ценным для изучения изоляторов или магнитных материалов, которые мешают работе заряженных частиц. Подробнее о том, как волновые свойства частиц используются в материаловедении, можно прочитать в нашей статье о современных методах анализа поверхностей.

Кроме того, эксперименты с интерференцией позитрония в будущем позволят проверить, как антиматерия реагирует на гравитацию. Этот вопрос остаётся открытым, ведь прямых измерений до сих пор не проводилось даже для электронов.

Об авторах исследования

Доктор Ясуаки Нагасима — профессор физического факультета Токийского университета науки, специалист по физике позитронов и позитрония. Его исследования сосредоточены на свойствах отрицательных ионов позитрония и пучков позитрония. В 2020 году он получил мемориальную премию Хироши Такумы от Фонда Мацуо. Если вас интересует, как экзотические частицы взаимодействуют с твёрдыми телами, обратите внимание на нашу статью о современных экспериментах в области физики античастиц.

Доктор Юго Нагата — доцент физического факультета Токийского университета науки, специалист по физике позитрония и атомной физике. В 2023 году он получил премию молодого учёного Японского общества позитронной науки.

По материалам www.sciencedaily.com (Токийский университет)