Всесвіт, згідно з теорією, не повинен існувати.

Кожна частинка у Всесвіті має відповідну частинку антиматерії. Якщо пара таких частинок зустрінеться, вони одразу знищать одна одну – зникнуть у маленькому спалаху енергії.

Теоретично, народження Всесвіту повинно було призвести до утворення рівних кількостей частинок і антипартій.

Чому сучасний Всесвіт настільки сильно схиляється на користь частинок, залишається загадкою – вирішення якої стає ще складнішим через схильність антипартій зіштовхуватися з частинками.

Але надзвичайні зусилля можуть нарешті приборкати одну з найбільших хитрощів антипартій – позитрон, антиматерійний аналог електрона.

У кріогенній, надпровідній вакуумній пастці фізики з Північно-західного університету в США успішно утримували одиничний позитрон протягом кількох місяців – прорив, який, за їх словами, прокладає шлях до найсуворіших досліджень у фізиці частинок.

"Найбільша проблема полягає в тому, щоб переконати позитрон, який викидається з ядра під час радіоактивного розпаду з дуже високою енергією, сповільнитися достатньо, щоб ми могли захопити його в нашу пастку для частинок," – сказав фізик Північно-західного університету Джеральд Габріельс, старший автор статті.

Всесвіт природно виробляє позитрони різними способами – космічними вибухами, енергійними взаємодіями між частинками та радіоактивним розпадом, коли нестабільне ядро викидає позитивно заряджену частинку, яка ідентична негативно зарядженому електрону.

Але Всесвіт не є добрим до позитронів. Все, що йому потрібно зробити, щоб знищити позитрон, – це зустрітися з електроном – а електрони абсолютно всюди.

Фізики спостерігали позитрони з 1930-х років, але вивчити один протягом тривалого часу означає повністю ізолювати його від зустрічі з будь-якою іншою матерією.

Це складно, але не неможливо. Електромагнітна пастка може утримувати одну частинку в повітрі у вакуумі, щоб вона випадково не торкнулася іншої частинки.

Проблема полягає в тому, щоб зупинити частинку, яка викидається під час енергетичного процесу радіоактивного розпаду.

"Більшість позитронів, які виходять з джерела, не вдається сповільнити та захопити," – пояснив Габріельс. "Вони в кінцевому підсумку 'знищуються' з електроном у нашій апаратурі."

Рішення команди, очолюване фізиком Північно-західного університету Томом Майерсом, повинно було вирішити обидві проблеми: сповільнити позитрон і утримати його без контакту з електроном.

Дослідники використовували радіоактивний ізотоп натрію як фабрику позитронів, яка викидає антипартії з енергією до 546 кілоеlectronvolt – приблизно 88 відсотків швидкості світла.

Отже, як сповільнити релятивістський позитрон?

В даному випадку відповідь полягає в тому, щоб зробити те, що дослідники в кінцевому підсумку намагалися уникнути – змусити його пройти через матерію. Тобто через один кристал вольфраму.

Експериментальна установка мала три основні компоненти: джерело натрію, кристал і пастку.

Спочатку деякі з позитронів, що викидаються джерелом натрію, потрапили в кристал вольфраму, де їх позитивний електричний заряд взаємодіє з негативно зарядженими електронами в матеріалі. Ці взаємодії можуть збуджувати або іонізувати атоми, передаючи частину кінетичної енергії позитрону кристалу.

Більшість позитронів не проходять. Вони стикаються з електронами, і обидва знищуються. Але кілька виживають, виходячи з поверхні вольфраму значно сповільненими, прикріпленими до – але не торкаючись – електрона. Це позитроній.

У цій конкретній формі позитронію електрон і позитрон займають високо збуджений квантовий стан, який тримає їх відносно далеко один від одного, затримуючи їх неминуче знищення достатньо довго, щоб транспортувати позитрон туди, куди потрібно – прямо в підготовлену пастку.

Ця пастка також є геніальною. Маленький отвір, всього 640 мікрометрів завширшки, дозволяє позитронію увійти, де електричне поле знімає електрон, залишаючи позитрон позаду.

Пристрій, званий пасткою Пеннинга, використовує комбінацію електричних і магнітних полів, щоб утримувати заряджену частинку, не дозволяючи їй торкатися стінок.

Утримуваний в надзвичайно хорошій вакуумній пастці, охолодженій до 300 мілікельвінів – частини градуса вище абсолютного нуля – позитрон може залишатися ізольованим від зовнішнього світу.

Для дослідників це напружений досвід.

"Ми вмикаємо наш детектор і чекаємо," – сказав Габріельс.

"Зрештою, ми бачимо електричний сигнал від захопленого позитрону. Потім ми відводимо радіоактивне джерело від пастки, щоб запобігти завантаженню будь-якого додаткового позитрону."

Дослідники могли утримувати свого полоненого позитрону протягом місяців. Але просто запобігти його знищенню було лише початком.

Їм також потрібно було контролювати його рух з надзвичайною точністю.

У потужному магнітному полі пастки позитрон рухається в маленьких колах – рух, званий циклотронним рухом. Охолоджуючи його до найнижчого квантового енергетичного стану, дослідники могли використовувати ретельно налаштовані мікрохвилі, щоб підштовхнути його між дискретними енергетичними рівнями, один квант за раз.

І, що важливо, вони могли виявляти ці зміни, а також перевороти спіну позитрону, не порушуючи квантові стани, що вимірюються.

"Я і моя дослідницька група переслідували один позитронний квантовий циклотрон протягом багатьох років, тому спостереження за позитроном, який робить один-квантові стрибки енергії, було надзвичайно задовольняючим," – сказав Габріельс.

"Також було чудово бачити, як робота Томаса над дисертацією завершилася великим успіхом. Він дуже старався."

Отже, чому комусь потрібно затримувати та вимірювати позитрон у першу чергу?

Насправді, є багато дуже вагомих причин – і десь на вершині списку знаходиться фундаментальний принцип фізики, званий симетрією CPT.

CPT означає заряд, парність і обернення часу, три перетворення, які, коли їх застосовують разом, повинні залишати основні закони фізики незмінними.

Одним з наслідків цього принципу є те, що частинки та їх антиматерійні аналоги повинні мати деякі властивості, які точно збігаються.

Електрон і позитрон, наприклад, кожен веде себе трохи як маленький магніт, з властивістю, званою магнітним моментом. Їх магнітні моменти повинні мати однакову величину, але протилежний знак.

Фізики вже виміряли магнітний момент електрона з вражаючою точністю. Тепер, завдяки їхній здатності контролювати одиничний позитрон, Габріельс і його колеги сподіваються зробити те ж саме для його антиматерійного двійника.

"Якщо величини однакові, це буде найточніше підтвердження інваріантності CPT Стандартної моделі – найосновнішого математичного опису фізичної реальності," – пояснив Габріельс.

Дослідники все ще перебувають у процесі отримання цього вимірювання і сподіваються повідомити результат на початку наступного року – хоча, враховуючи, що це найкраща можливість зрозуміти таку ухильну частинку, це може зайняти більше часу.

Що б не показали вимірювання, вони можуть надати один з найсуворіших тестів одного з основних принципів, що лежать в основі сучасної фізики.

І навіть якщо результати ідеально збігаються з теорією, це залишить фізиків з деякими дуже великими запитаннями.

"Це поглибить загадку того, як Стандартна модель може робити такі точні прогнози того, що ми вимірюємо, будучи несумісною з основними рисами Всесвіту," – сказав Габріельс.