Исследователям из Токийского научного университета (Япония), возглавляемым профессором Ясуюки Нагашимой, при содействии доцента Юго Нагаты и доктора Рики Миками, впервые удалось зафиксировать волновую интерференцию в позитронии — редком «атоме», образованном из вещества и антивещества. Этот прорыв, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications, служит подтверждением квантовой природы данной системы и открывает перспективы для проведения новых экспериментов, связанных с антивеществом и гравитацией.
Одним из фундаментальных открытий, разделяющих квантовую и классическую физику, стало понимание того, что материя на крайне малых масштабах ведёт себя совершенно иначе. Ключевым среди этих открытий является корпускулярно-волновой дуализм — концепция, согласно которой частицы могут проявлять свойства волн. Эта идея получила широкое распространение благодаря знаменитому эксперименту с двумя щелями: когда электроны пропускались через два узких отверстия, на детекторе возникал узор из чередующихся светлых и тёмных полос. Такая закономерность свидетельствовала о том, что каждый электрон ведёт себя как волна, поскольку его квантовая волновая функция проходит одновременно через обе щели и интерферирует сама с собой.
Впоследствии учёные подтвердили этот эффект на нейтронах, атомах гелия и даже на более крупных молекулах, утвердив дифракцию волновой материи в качестве одного из ключевых принципов квантовой механики. Однако, несмотря на все эти достижения, данное явление до сих пор не наблюдалось непосредственно в позитронии. Позитроний представляет собой кратковременную двухтельную систему, состоящую из электрона и позитрона, связанных вместе и вращающихся вокруг общего центра масс. Поскольку оба компонента обладают одинаковой массой, исследователи давно стремились понять, как такая система будет вести себя при прохождении луча и дифракции.
Причудливый «атом» антивещества только что доказал, что может действовать как волна, открывая дверь для новых квантовых и гравитационных экспериментов
Исследовательская группа из Токийского научного университета успешно продемонстрировала дифракцию материальных волн в пучке позитрония. Использованный в их эксперименте луч обладал необходимым энергетическим диапазоном и когерентностью для создания явных интерференционных эффектов. «Позитроний — это простейший атом, состоящий из компонентов равной массы, и до тех пор, пока он не самоуничтожится, он ведёт себя как нейтральный атом в вакууме. Теперь мы впервые наблюдали квантовую интерференцию», — подчеркнули авторы работы. Эти результаты предоставляют новые убедительные доказательства корпускулярно-волнового дуализма в необычной системе, состоящей из материи и антиматерии, и закладывают основу для будущих исследований, способных пролить свет на фундаментальные свойства квантового мира и гравитационных взаимодействий.
пучка позитрония, которая может проложить путь к новым исследованиям в фундаментальной физике с использованием позитрония», — сказал он. — говорит профессор Нагашима.
Создание высококачественного позитрониевого пучка
Прорыв начался с создания высококонтролируемого пучка позитрония. Для этого исследователи сначала демонстрируют отрицательные заряженные ионы позитрония. Затем они использовали точно рассчитанный лазерный импульс, чтобы удалить лишний электрон, в результате чего образовался быстродвижущийся, нейтральный и когерентный поток атомов позитрония.
Этот луч был направлен на лист графена. Расстояние между атомами в графене близко к контуру по длине волн де Бройля позитрония при энергиях, использованных в эксперименте. Когда атомы позитрония прошли через двух-трехслойный графеновый лист, некоторые из них прошли и были обнаружены. Результаты измерений выявили отчетливую дифракционную картину, подтверждающую волнообразное поведение.
Четкая дифракционная картина и квантовое поведение
По сравнению с более ранними методами этот метод позволяет получать пучки позитрония с более тепловыми энергиями, достигающими 3,3 кэВ. Это также обеспечивает более узкое распространение энергии и более узконаправленный луч. Проведение эксперимента в сверхвысоком вакууме сохраняет чистоту поверхности графена, что позволяет более четко наблюдать дифракционную картину.
Результаты показывают, что, хотя позитроники и состоят из двух частиц, они ведут себя как единый квантовый объект. Электрон и позитрон не дифрагируют по отдельности, а действуют вместе, как одна волна.
«Эта революционная экспериментальная веха знаменует собой крупный прогресс в фундаментальной физике. Оно не только обеспечивает волновую природу позитрония как связанной системы лептон-антилептон (системы, которая ведет себя как крошечный атом), но также открывает пути для прецизионных измерений с участием позитрония», — говорит доктор Нагата.
Команда также исследовала, будут ли позитроники создавать такие же помехи, как и отдельные частицы, например электронные. Их результаты подтвердили, что это так, подкрепив идею о том, что он существует как единая квантовая сущность.
Будущие устройства для материаловедения и управления антиматериалами
Помимо подтверждения его квантовых свойств, дифракция позитрония может привести к практическому применению. Поскольку позитроны не отключают зарядное устройство, их можно использовать для анализа внешних материалов, не вызывая повреждений. Это делает его особенно ценным для изучения изоляторов или магнитных материалов, которые могут создавать помехи пучкам заряженных частиц.
Заглядывая в будущее, эксперименты с интерференцией позитрония также могут позволить, как антивещество реагирует на гравитацию. Это остается открытым вопросом, поскольку прямых измерений еще не удалось добиться, даже для электронов.
О профессоре Ясуюки Нагасиме из Токийского научного университета
Доктор Ясуюки Нагасима — профессор кафедры физики Токийского научного университета, Япония, специализирующийся на физике позитронов и позитронии. Его исследования сосредоточены на свойствах отрицательных ионов позитрония и пучка позитрония. Он также изучает десорбцию ионов, вызванную аннигиляцию позитронов, с помощью поверхности поверхности. В 2020 году он получил Премию памяти Хироши Такумы от Фонда Мацуо. Его лаборатория проводит фундаментальные исследования экзотических взаимодействий частиц и веществ, одновременно разрабатывая новые экспериментальные методы на основе позитронов для прикладной физики.
О доценте Юго Нагате из Токийского научного университета
Доктор Юго Нагата — доцент кафедры физики Токийского научного университета, Япония, специализирующийся на позитронии и атомной физике. В 2023 году он получил премию молодого ученого Японского общества позитронной науки.
Эта работа выполнена при поддержке JSPS KAKENHI (гранты № JP25H00620, JP21H04457 и JP17H01074).