Физици улавят и държат в капан единична частица антиматерия в продължение на месеци

Ваня Милева Последна промяна на 22 октомври 2026 в 11:15 233 0

абстракция

Кредит Pixabay
Илюстрация: Физици улавят и държат в капан единична частица антиматерия в продължение на месеци.

Физици твърдят, че са държали един-единствен позитрон, антиматерийният еквивалент на електрона, затворен в криогенен, свръхпроводящ вакуумен капан в продължение на месеци, съобщава ScienceAlert.

Изследователите от Северозападния университет в Съединените щати посочват, че резултатът отваря възможност да се проведат някои от най-строгите досега тестове на физиката на елементарните частици.

Позитроните са трудни за задържане, защото се унищожават в момента, в който срещнат електрон, а електроните са почти навсякъде. Ето как екипът е успял да го направи.

Защо е толкова трудно да се задържи позитрон?

Всяка частица има партньор от антиматерия и когато една двойка се срещне, и двете частици изчезват в малък енергиен изблик - процес, наречен анихилация. Позитроните се образуват естествено при космически експлозии, при взаимодействия на енергийни частици и при радиоактивен разпад. Физиците ги наблюдават от 30-те години на миналия век, но изучаването им за какъвто и да е период от време изисква изолирането на частиците от цялата останала материя.

Електромагнитният капан може да задържи една частица на място във вакуум, но не лесно да се вкара бърз позитрон в капана.

Първото наблюдение на позитрон, следа в облачна камера, фотографирана през 1932 г. Кредит: Carl D. AndersonПървото наблюдение на позитрон, следа в облачна камера, фотографирана през 1932 г. Кредит: Carl D. Anderson

Как екипът забавя позитрона?

Изследователите са използвали радиоактивен изотоп на натрий като източник. Той излъчва позитрони с енергия до около 546 килоелектронволта, което е около 88 % от скоростта на светлината.

За да ги забавят, екипът пропуска позитрони през кристал от волфрам. Повечето от позитроните се сблъскват с електроните в кристала и се анихилират. Няколко излизат от повърхността много по-бавно, слабо сдвоени с електрон в състояние, наречено позитроний. Във формата, която изследователите използват, електронът и позитронът са сравнително далеч един от друг, което забавя анихилацията им достатъчно дълго, за да отнесат позитрона в капана.

Какво е това позитроний?

Водородът е най-простата атомна структура, позната в света на материята. Тя се състои от протон и електрон, който се върти около него в орбита. При антиматерията позитроният е най-простата известна атомна структура. Макар че има електрон в орбита, той има и положително заредена частица или позитрон, заемащ същата орбита.

Физикът от Северозападния университет Джералд Габриелс (Gerald Gabrielse), старши автор на статията, заявява пред ScienceAlert, че повечето позитрони от източника не се забавят и улавят, а се анихилират с електроните в апарата.

Експерименталната установка, използвана за улавяне на единичен позитрон, показваща как позитроните от радиоактивен натриев източник се забавят от волфрамов кристал, преди да влязат в капана на Пенинг. Кредит: Myers et al., Phys. Rev. Lett., 2026Експерименталната установка, използвана за улавяне на единичен позитрон, показваща как позитроните от радиоактивен натриев източник се забавят от волфрамов кристал, преди да влязат в капана на Пенинг. Кредит: Myers et al., Phys. Rev. Lett., 2026

Как държи капанът позитроните?

Устройството е капан на Пенинг, който използва комбинация от електрически и магнитни полета, за да ограничи заредена частица, без да ѝ позволява да докосва стените. Позитроният навлиза през отвор с ширина само 640 микрометра. Вътре електрическо поле откъсва електрона и оставя позитрона. Капанът се държи в изключително чист вакуум и се охлажда до 300 миликелвина, част от градуса над абсолютната нула.

Габриелсе описа как се чака сигнал от детектор, който показва заловен позитрон. След това екипът отдръпва радиоактивния източник, така че в капана да не се зареждат повече позитрони.

Какво правят физиците с уловената частица?

Задържането на позитрона е само първата стъпка. В силното магнитно поле на капана частицата се движи в малки кръгове, движение, наречено циклотронно движение. Изследователите я охлаждат до най-ниското ѝ квантово енергийно състояние и след това използват внимателно настроени микровълни, за да я преместят между дискретни енергийни нива, квант по квант. Те успяват да открият и тези скокове, заедно с обръщанията в спина на частицата, без да нарушават измерваните квантови състояния.

Габриелсе споделя, че е било "изключително удовлетворяващо" да наблюдава как позитрон прави едноквантови енергийни скокове след години на преследване на целта. Той подчертава заслугата на физика Том Майърс (Timothy Myers), който ръководи решението на екипа и чиято докторска дисертация довежда до резултата.

Защо е важно: за какво може да се използва това?

Работата е част от дългогодишен опит за обяснение на загадка. Теорията твърди, че раждането на Вселената е трябвало да доведе до равни количества материя и антиматерия, но настоящата Вселена е силно асиметрична в полза на материята. Склонността на античастиците да се сблъскват с обикновените частици прави тази загадка по-трудна за изсъ.

Възможността да се задържа и контролира един-единствен позитрон в продължение на месеци може да позволи много по-прецизни измервания. Изследователите посочват фундаментален принцип, наречен CPT симетрия, съкращение от заряд, четност и обръщане на времето, като една от основните причини за улавянето и измерването на позитрона. За широката публика практическият момент е, че това е фундаментално изследване би могло да подобри инструментите, които физиците използват, за да тестват най-основните си теории, с не води до продукт.

Проблемът с асиметрията на материята

Примери за симетрия във физиката на елементарните частици. Кредит: Flip TanedoПримери за симетрия във физиката на елементарните частици. Кредит: Flip Tanedo

Електрическият заряд (C) е само една от присъщите симетрии, които управляват физиката на елементарните частици. Другите са четност (P) или "пространствена инверсия, отражение" и време (T). Тези симетрии могат да се комбинират, за да създадат CP симетрия, PT симетрия или CPT симетрия. Едно от последствията от това е, че когато се вземат заедно, тези симетрии изискват симетрия между материя и антиматерия. С достатъчно енергия може да се създаде отрицателно зареден електрон, но само ако се създаде и положително зареден позитрон. Симетрията е мощен инструмент във физиката, но в нея има мистерия.

Стандартният космологичен модел казва, че материята е създадена от плътната енергия на Големия взрив. Според симетрията, материята и антиматерията са се появили в равни количества, но когато погледнем Вселената, тя е съставена от материя. Няма галактики с антиматерия или облаци от антиводород, които да се движат в космоса. Само обикновената материя, която изгражда и нас. Тази загадка физиците наричат проблем с асиметрията на материята.

Проблемът с асиметрията на материята или проблемът с барионната асиметрия е наблюдението, че Вселената е съставена почти изцяло от материя, с много малко антиматерия, въпреки че Големият взрив теоретично е произвел равни количества от дветеТъй като материята и антиматерията се анихилират взаимно при контакт, Вселената би трябвало да е била унищожена, оставяйки само енергия. Тази мистерия е една от най-големите във физиката и потенциалните обяснения включват нови физични или физически закони, които са причинили малка асиметрия в полза на материята в ранната Вселена.

Справка: One-positron quantum cyclotron, Physical Review Letters (2026). On arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2605.08147

Източник: 

Physicists Trapped a Particle of Antimatter And Kept It Caged For Months,  ScienceAlert

Physicists trap and tame single particle of antimatter for months, Phys.org

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !