Ученые из Европейской организации ядерных исследований (CERN) впервые провели анализ античастицы, находящейся в квантовом состоянии суперпозиции. Это достижение не только расширяет технологические возможности, но и может способствовать пониманию того, почему во Вселенной преобладает материя, а не антиматерия, которая могла бы аннигилировать с ней вскоре после Большого взрыва.
Ученые из коллаборации BASE удерживали антипротон – частицу, являющуюся аналогом протона в антиматерии – в системе электромагнитных ловушек, что позволило свести к минимуму внешние воздействия и сохранить его нестабильное квантовое состояние. В течение 50 секунд исследователи наблюдали за колебаниями частицы, находящейся в неопределенном состоянии спина.
«Это первый в истории квантовый бит из антиматерии«, — заявил физик CERN Штефан Ульмер. Он отметил, что ключевое значение этого достижения заключается в потенциальной возможности в будущем проводить измерения магнитных моментов антипротонов с точностью, которая будет в 10–100 раз выше, чем текущая.
Современные физические модели предполагают, что Большой взрыв породил одинаковое количество материи и антиматерии, которые впоследствии должны были аннигилировать. Однако существование нашей Вселенной свидетельствует о наличии между ними фундаментальной разницы, которая пока не выявлена наукой.
Эксперимент BASE ставит своей целью выявить это различие, сопоставляя свойства протонов и антипротонов, в первую очередь их спины — внутренние характеристики, определяющие поведение частиц как микроскопических магнитов. До этого момента ученым удалось определить магнитный момент антипротона с погрешностью в 1,5 миллиардной доли, однако даже при такой высокой точности он остается таким же, как и у протона.
Квантовые состояния обладают высокой чувствительностью к воздействию извне, что и является одной из основных сложностей. Для защиты антипротонов от помех и увеличения времени их нахождения в состоянии суперпозиции до беспрецедентных 50 секунд, исследователи усовершенствовали установку BASE.
Благодаря разрабатываемой в CERN новой системе транспортировки антиматерии BASE-STEP, этот показатель в перспективе может быть увеличен. Система позволит перемещать антипротоны в специализированные лаборатории с минимальными помехами, что существенно улучшит точность измерений.
«После завершения развертывания нашей новой системы, время когерентности спинов увеличится в десять раз по сравнению с результатами текущих экспериментов, что станет значительным достижением в области изучения антиматерии «, — подчеркнула физик из CERN Барбара Латач.
Результаты исследования опубликованы в журнале .