Физики заставили антиматерию показать волновые свойства

Интерферометр Тальбота-Лоу в позитронной лаборатории Миланского политехнического университета.

LHEP / AEC, University of Bern

Антиматерия так же, как и материя может вести себя и как частица, и как волна — это впервые показали физики из Италии и Швейцарии в эксперименте с позитронами, античастицами электрона. Наблюдения показали, что позитроны могут интерферировать друг с другом, то есть демонстрировать квантово-волновой дуализм, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advance.

Понятие «квантово-волновой дуализм» сформулировал еще в 1923 году один из основателей квантовой физики Луи де Бройль. Он показал, что у частиц, обладающих импульсом p, есть «собственная» длина волны, которая зависит от p и постоянной Планка: λdB = h/p. В определенной ситуации частицы могут демонстрировать свойства волны. Этот эффект был подтвержден для электронов, нейтронов и даже для молекул — например, для фуллерена C70 и тетрафенилпорфирина.

В классических экспериментах такого рода обычно используется экспериментальная установка с двойной щелью: волна, пройдя сквозь щели, должна сформировать на экране за ним дифракционную картину — ряд полос, максимумов, где волны усиливают друг друга за счет интерференции, и минимумов, где они друг друга гасят. Поток частиц, пройдя сквозь щели должен оставить тени — только две полосы.

 

Коллаборация QUPLAS (QUantum interferometry and gravity with Positrons and LASers), в которую входят ученые из итальянского Национального института ядерной физики (INFN), университета Берна и Миланского политехнического университета, решила провести этот классический эксперимент с частицами антиматерии — позитронами. Они разработали и построили интерферометрическую установку, адаптированную для потока низкоэнергетических позитронов.

Поток позитронов с энергией около 3 электронвольт в эксперименте продуцировал радиоактивный источник на основе изотопа 22Na. Затем частицы разгоняли на электростатическом ускорителе до энергии 16 килоэлектронвольт, получая таким образом строго монохроматический пучок позитронов.

Поток проходил через две интерферометрические решетки, сделанные полосок нитрида кремния толщиной 700 нанометров. Расстояние между «прутьями» решетки составляло около 1,2 микрона. За решетами находился детектор — светочувствительная пленка толщиной 50 микрон на базе бромида серебра.

 

Схема экспериментальной установки

S. Sala at al. / Science Advance

Поделиться

  •  
  •  
  • 1
  •  

Измерения проводились для энергий позитронов 16, 14, 11, 9 и 8 килоэлектронвольт. Для экспозиции пленки и получения дифракционной картины требовалось очень долгое время — от 120 до 200 часов. Затем физики изучали пленку в микроскоп. В результате ученые получили дифракционную картину с периодом (расстояниями между максимумами) около 5,85 микрон.

 

«Наши наблюдения доказывают волновую природу позитронов», — говорит соавтор исследования Паола Скамполи (Paola Scampoli) из университета Берна.

 

Дифракционная картина, полученная в эксперименте (период показан красным отрезком)

S. Sala at al. / Science Advance

Поделиться

  •  
  •  
  • 1
  •  

В дальнейшем ученые планируют использовать разработанные ими методы для сверхточных измерений нейтральной антиматерии, в частности, гравитационных свойств позитрония, мюония и антиводорода. Эта работа необходима для поиска фундаментальных отличий антиматерии и материи, которые, возможно, позволят объяснить, почему в наблюдаемой Вселенной антиматерия практически отсутствует.

 

Ранее ученые смогли с высокой точностью измерить спектр антиводорода, получили с помощью петаваттного лазера фонтан античастиц и научились перевозить антиматерию с места на место. Подробнее об антивеществе читайте в нашем материале «С точностью до наоборот».

Сергей Кузнецов