Физики из Токийского научного университета впервые в истории экспериментально подтвердили волновые свойства позитрония – экзотической системы, состоящей из электрона и его античастицы, позитрона. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, расширяют представления о прикладной квантовой механике и открывают новые возможности для изучения фундаментальных свойств антиматерии.
Фундаментальный принцип корпускулярно-волнового дуализма предполагает, что частицы материи могут вести себя подобно волнам. Ранее это явление было доказано для электронов, нейтронов и даже сложных молекул. Однако наблюдение дифракции в пучке позитрония оставалось сложной технической задачей из-за специфики этой системы. Позитроний представляет собой короткоживущий атом, в котором частица и античастица вращаются вокруг общего центра масс. Поскольку их массы равны, система функционирует как нейтральный объект до момента взаимной аннигиляции компонентов.
Для проведения эксперимента группа под руководством профессора Ясуюки Нагасимы разработала метод создания стабильного и когерентного пучка. На первом этапе исследователи получили отрицательно заряженные ионы позитрония, после чего использовали лазерный импульс для отделения лишнего электрона. Полученный поток нейтральных атомов направили на мишень из нескольких слоев графена.
Расстояние между атомами в кристаллической решетке графена соответствовало длине волны де Бройля для позитрония при заданных энергиях. В ходе эксперимента частицы, проходя сквозь углеродную сетку, образовали отчетливую дифракционную картину. Это подтвердило, что электрон и позитрон не взаимодействуют с препятствием по отдельности, а выступают как целостный квантовый объект с единой волновой функцией.
Примененный метод позволил получить пучок с энергией до 3,3 кэВ, что значительно превосходит показатели предыдущих опытов. Использование сверхвысокого вакуума помогло сохранить чистоту поверхности графена и добиться высокой точности измерений. Ученые подчеркивают, что позитроний, не обладая электрическим зарядом, может стать эффективным инструментом для бесконтактного анализа поверхностей диэлектриков и магнитных материалов, которые трудно исследовать с помощью пучков заряженных частиц.
В перспективе изучение интерференции позитрония позволит физикам подойти к решению вопроса о взаимодействии антиматерии с гравитацией. Прямые измерения гравитационного воздействия на античастицы остаются одной из наиболее сложных задач современной науки, и создание управляемых пучков позитрония создает фундамент для проведения таких экспериментов в будущем.
