Группа учёных из Токийского университета науки под руководством профессора Ясуки Нагасимы впервые экспериментально подтвердила корпускулярно-волновой дуализм позитрония — нестабильной системы, состоящей из электрона и позитрона. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, демонстрируют, что этот необычный двухчастичный объект ведёт себя как единая квантовая волна.
Позитроний существует в двух состояниях: парапозитроний с периодом полураспада около 0,125 наносекунд и ортопозитроний с периодом около 142 наносекунд. Несмотря на чрезвычайно короткое время жизни, современных детекторов и методов лазерного возбуждения достаточно для проведения спектроскопических измерений и изучения свойств позитрония, поскольку наносекунда является огромным временем для атомных процессов.
Для проведения эксперимента исследователи создали высококонтролируемый пучок позитрония, используя отрицательно заряженные ионы. С помощью лазерного импульса из иона удалялся лишний электрон, что порождало быстрый, нейтральный и когерентный поток атомов позитрония. Этот пучок направлялся на графеновую мембрану, где расстояние между атомами совпадало с длиной волны де Бройля позитрония.
При прохождении через графеновую решётку возникала чёткая дифракционная картина, подтверждающая волновую природу частиц. Каждый атом позитрония вёл себя как единая квантовая волна, чья волновая функция интерферировала сама с собой. "Позитроний — простейший атом с равными по массе составляющими, и впервые мы наблюдали квантовую интерференцию его пучка", — отметил профессор Нагасима. Принципиальное отличие позитрония от обычных атомов, например водорода, заключается в том, что он представляет собой «чистую» систему из частицы и античастицы равной массы. Из-за меньшей приведённой массы уровни энергии и волновые функции позитрония сильнее подвержены релятивистским эффектам и квантовоэлектродинамическим поправкам, что делает его уникальной лабораторией для проверки квантовой электродинамики.
Использованная методика позволила получать пучки с энергией до 3,3 кэВ, узким разбросом энергий и минимальным угловым расхождением. Эксперимент проводился в условиях сверхвысокого вакуума, что обеспечило чистоту графеновой поверхности и чёткое наблюдение дифракции. Результаты показали, что электрон и позитрон движутся как единая волна, а не дифрагируют по отдельности.
Это открытие, по словам доцента Юго Нагаты, представляет собой "крупный прорыв в фундаментальной физике". Оно не только подтверждает волновую природу позитрония как связанной лептон-антилептонной системы, но и открывает новые возможности для прецизионных измерений. Практически позитроний может применяться в материаловедении для анализа поверхностей без их повреждения, а также для изучения взаимодействия антиматерии с гравитацией — одной из самых интригующих загадок современной физики. Поскольку позитроний является электрически нейтральным атомом, состоящим из античастицы, он идеально подходит для экспериментов по гравитационному падению антиматерии. Измеряя траекторию или интерференцию пучка позитрония в гравитационном поле, учёные могут проверить, подчиняется ли антиматерия той же гравитационной силе, что и обычная материя. Такие эксперименты, например на установке AEgIS в ЦЕРНе, уже направлены на прямое измерение гравитационного ускорения для позитрония.
Источник: Scientists catch antimatter “atom” acting like a wave for the first time