Текст уведомления здесь
Экспериментальная установка, на которой работали ученыеLHEP / AEC / University of Bern

Антиматерия проинтерферировала на самой себе

В классическом эксперименте позитроны оказались неотличимы от обычных электронов

Группа европейских ученых доказала, что позитроны, как и их античастицы — электроны, могут проявлять волновые свойства. Для этого физики провели эксперимент с дифракцией позитронов на двух параллельных щелях. Это не только подтверждает квантовую теорию, но и открывает новые перспективы в изучении античастиц.
Добавить в закладки
Комментарии

Согласно квантовой механике, каждый объект может вести себя и как частица, и как волна. В обычных условиях, вне лабораторных экспериментов, такая двойственность присуща свету. Например, при столкновении с солнечными батареями он ведет себя как поток частиц, выбивая электроны из атомов и проявляя тем самым фотоэффект, а вот дифракция, то есть появление вторичных волн при столкновении с препятствием, — это уже чисто волновой феномен.

В быту вы можете наблюдать дифракцию, подставив поверхность компакт-диска под падающий солнечный свет, а с некоторыми ухищрениями — поместив волос в луч лазерной указки. Края препятствия, вставшего на пути волн, сами становятся источниками вторичных волн, которые, накладываясь друг на друга, дают характерный рисунок на стоящем позади препятствия экране.

Пятно от лазерного луча на стене: сверху без препятствия, снизу на пути луча поставили волосChrdk.

Проведенные еще в начале XX столетия опыты с пучком электронов показали, что электроны, как и свет, могут проявлять себя не только в роли частиц, но и в роли волн (это свойство ученые назвали корпускулярно-волновым дуализмом). Впоследствии ученые продемонстрировали волновые свойства других частиц и подтвердили, что теоретически выведенная связь между массой частицы и длиной той волны, которой она соответствует, существует: чем масса больше, тем длина волны меньше. В результате, например, протоны в абсолютном большинстве случаев ведут себя как частицы, а не как волны.

Античастицы имеют ту же массу, что и частицы обычного вещества, но противоположный электрический заряд — например, позитрон, в отличие от электрона, заряжен положительно, а антипротон — отрицательно. Из теоретических соображений следовало, что античастицы тоже будут проявлять корпускулярно-волновой дуализм.

Но на пути к изучению волновых свойств антиматерии (вдруг она почему-то представляет собой исключение из правил?) стоял ряд препятствий. Античастицы появляются в небольшом количестве при радиоактивном распаде некоторых изотопов, а также при взаимодействии обычных частиц очень высоких энергий. Вдобавок они аннигилируют при столкновении с обычной материей, так что даже теоретическая (на практике столько и не получить) стоимость антиматерии составляет триллионы долларов за грамм.

Смотрите также: Роль наблюдателя в квантовой механике. Кирилл Половников рассказывает, что такое корпускулярно-волновой дуализм, состояние частицы и двухщелевой эксперимент

Лишь в 1980 году дифракцию позитронов смогли зафиксировать экспериментально, но самые интересные опыты, с дифракцией на двух щелях, поставить не удавалось вплоть до самого недавнего времени.

Мысленно перейти от потока частиц к набегающим волнам достаточно сложно, но это не самый сложный момент в квантовой механике. Когда частицы падают на экран с двумя близкими щелями, те тоже пролетают через них и оставляют на экране сзади картину, характерную для сложения волн от краев обеих щелей.

Причем, что самое удивительное, результат наблюдается даже тогда, когда частиц очень мало и они летят поодиночке. Опыт с двухщелевой интерференцией ученые проводили неоднократно, и он показал, что объекты не просто ведут себя и как волны, и как частицы. При этом одна частица может интерферировать сама с собой и проходить через две щели одновременно! Этот эксперимент вошел во все учебники, а в новой публикации на страницах Science Advances группа итальянских исследователей (вместе с коллегой из Швейцарии) описала вариант этого же опыта с позитронным пучком.

В качестве источника излучения физики использовали натрий-22. Этот изотоп нестабилен, период его полураспада составляет около 2,6 года. За это время в среднем половина протонов, входящих в ядро атомов натрия-22, превращается в комбинацию из нейтрона, позитрона и нейтрино. Последнее улетает прочь, нейтрон остается в ядре, а позитрон выходит наружу.

В установке ученых электрическое поле подхватывало этот позитрон и направляло его в сторону дифракционных элементов из нитрида кремния. Весь опыт проводили в вакуумной камере, чтобы частицы при столкновении с молекулами воздуха не аннигилировали раньше времени. Для регистрации прошедших через щели позитронов поставили пластинку с фотоэмульсией, которую после окончания эксперимента просканировали под микроскопом в поисках следов от частиц.

Фотопластинка (снизу, слева), ее объем (сверху) и гистограмма, показывающая распределение следов по глубинеSala et al., 2019, CC BY-NC

Изучение фотопластинок показало (в полном соответствии с теорией) множество точечных следов от попадания отдельных позитронов. Один позитрон оставлял единственный след, но в совокупности распределение этих отметок дало картину, типичную для наложения волн, с отдельными минимумами и максимумами. То, что предсказывали еще отцы-основатели квантовой механики почти сто лет назад, снова подтвердилось на опыте, причем на этот раз с античастицами.

Сами авторы исследования отмечают, что они не хотели только лишь в очередной раз подтвердить основы современной физики. Другой целью было создание чувствительного оборудования для работы с античастицами, особенно сравнительно медленными. Оно позволит провести ряд других фундаментальных экспериментов. Например, ученые смогут проверить то, с какой скоростью падают античастицы и, следовательно, как на них действует гравитация. Теоретически разницы быть не должно, но вдруг? Ряд опытов, призванных прояснить взаимодействие антивещества с гравитацией, пока что дал не самые точные результаты, так что разработка более совершенных методов исследования придется как нельзя кстати.

Экспериментально доказано, что из античастиц можно собрать и отдельные атомы, вплоть до антигелия (с ядром, в котором есть два антипротона), однако хранить антивещество крайне затруднительно. Пока что системы, которые позволяют удерживать и перевозить с места на место хотя бы миллиард антипротонов, находятся лишь в стадии разработки. Гипотетически антивещество могло бы быть эффективным топливом для космических кораблей или суперэффективной взрывчаткой, но на сегодня все это относится к сфере научной фантастики.

В то же время испускающие позитроны радионуклиды уже активно используются на практике. Если такое вещество добавить в глюкозу и ввести в организм, то порождаемые в результате гамма-кванты (излучаемый позитрон быстро аннигилирует и дает пару квантов, летящих в противоположные стороны) позволят очень точно следить за концентрацией глюкозы в разных местах и, следовательно, за уровнем обмена веществ. Этот метод, называемый позитронно-эмиссионной томографией, нашел свое применение в медицине, особенно для диагностики злокачественных опухолей.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы