Квантовая ловушка: физики ЦЕРН получили первый кубит антиматерии
Физикам из ЦЕРН впервые удалось создать кубит из антиматерии, удерживая антипротон в состоянии квантовой суперпозиции почти минуту. Этот рекордный показатель открывает новые возможности для изучения одной из главных загадок Вселенной — почему в ней так мало антиматерии, если после Большого взрыва ее должно было быть столько же, сколько и обычной.
Эксперимент под названием BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) провели специалисты из Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН, где находится Большой адронный коллайдер. Исследование направлено на измерение магнитного момента антипротонов — того, насколько сильно они взаимодействуют с магнитными полями.
Чтобы изучать антипротоны, BASE использует две так называемых ловушки Пеннинга — устройства, удерживающие заряженные частицы с помощью электрических и магнитных полей. Одна из них измеряет прецессию магнитного момента (движение электронов или атомов вокруг вектора внешнего магнитного поля), а другая — управляет квантовым спином частицы (свойством, определяющим взаимодействие частицы с магнитным полем) и измеряет ее колебания.
Ученые смогли удерживать антипротон в состоянии суперпозиции в течение около 50 секунд. Это рекордный показатель для антивещества — ранее то же самое проделывали с частицами обычной материи. Достичь этого удалось, придав надежно удерживаемому в ловушке антипротону необходимое количество энергии. У специалистов также впервые получилось сформировать из антипротона кубит.
Кубит — квантовая версия байта, единица хранения квантовой информации в квантовом компьютере. Однако в данном случае он был нужен для другого: проверки фундаментальной симметрии между материей и антиматерией. Согласно теории, при рождении Вселенной должно было образоваться поровну частиц и античастиц, но по неизвестной причине этого не произошло. Ученые называют это нарушением CPT-симметрии (то есть сбой в соотношении «заряд-четность-время»). Такие эксперименты, как BASE, помогают искать следы этого дисбаланса.
Антиматерия — полная противоположность обычной материи. Например, антипротон имеет ту же массу, что и протон, но отрицательный заряд. Согласно принципу CPT-симметрии, физические законы для частиц и античастиц должны быть одинаковыми. Предыдущие измерения в рамках BASE показали, что магнитные моменты протонов и антипротонов совпадают с точностью до миллиардных долей. Но остается непонятным, почему даже при соблюдении симметрии антиматерии практически нет во Вселенной.
На следующем этапе, получившем название BASE-STEP, антипротоны будут перемещены из ЦЕРНа в другие лаборатории с более стабильными условиями. Специально оборудованные помещения помогут уменьшить колебания внешнего магнитного поля, которые могут помешать экспериментам. «Наша новая автономная система прецизионных ловушек Пеннинга, которая будет снабжена антипротонами, может позволить нам достичь времени спиновой когерентности, возможно, даже в 10 раз большей, чем в текущих экспериментах. Это изменит правила игры в исследованиях барионного исследования антивещества», — сказала ведущий автор исследования Барбара Латач.
Таким образом, этот эксперимент не только углубляет наше понимание квантового мира, но и помогает разобраться в том, почему мы живем во Вселенной, где преобладает обычная материя.
Самое популярное
