Ученые впервые зафиксировали волновое поведение антиматерии: позитроний проявил квантовую интерференцию

Исследователи впервые зафиксировали волновую интерференцию позитрония — редкого «атома» из материи и антиматерии. Результат подтверждает его квантовую природу и может открыть новые эксперименты с антиматерией и гравитацией. Источник: Tokyo University of Science, Japan

Одним из ключевых открытий, отличающих квантовую физику от классической, стало понимание того, что материя ведет себя совершенно иначе на чрезвычайно малых масштабах. Среди важнейших открытий — корпускулярно-волновой дуализм, идея о том, что частицы также могут вести себя как волны.

Эта концепция стала широко известна благодаря эксперименту с двумя щелями. Когда электроны пропускали через два узких отверстия, на детекторе возникал рисунок из чередующихся светлых и темных полос. Этот рисунок показал, что каждый электрон ведет себя как волна, причем его квантовая волновая функция проходит через обе щели одновременно и интерферирует сама с собой. Ученые позже подтвердили этот эффект с нейтронами, атомами гелия и даже более крупными молекулами, установив дифракцию материальных волн как ключевой принцип квантовой механики. Однако, несмотря на эти успехи, данное явление не наблюдалось напрямую для позитрония. Позитроний — это короткоживущая двухчастичная система, состоящая из электрона и позитрона, связанных вместе и вращающихся вокруг общего центра масс. Поскольку оба компонента имеют одинаковую массу, исследователи давно стремились понять, как такая система будет вести себя при формировании пучка и дифракции.

Первое наблюдение волнового поведения позитрония

Исследовательская группа из Токийского университета науки (Япония) под руководством профессора Ясуки Нагасимы, а также доцента Юго Нагаты и доктора Рики Миками, достигла этой цели. Они успешно продемонстрировали дифракцию материальных волн в пучке позитрония. Используемый в эксперименте пучок обладал необходимым диапазоном энергий и когерентностью для получения четких интерференционных эффектов. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, предоставляют убедительные новые доказательства корпускулярно-волнового дуализма в необычной системе.

«Позитроний — это простейший атом, состоящий из компонентов равной массы, и до момента самоаннигиляции он ведет себя как нейтральный атом в вакууме. Теперь, впервые, мы наблюдали квантовую интерференцию пучка позитрония, что может открыть путь для новых исследований в фундаментальной физике с использованием позитрония», — говорит профессор Нагасима.

Создание высококачественного пучка позитрония

Прорыв стал возможен благодаря созданию высококонтролируемого пучка позитрония. Для этого исследователи сначала сгенерировали отрицательно заряженные ионы позитрония. Затем они использовали точно синхронизированный лазерный импульс для удаления лишнего электрона, в результате чего получился быстрый, нейтральный и когерентный поток атомов позитрония.

Этот пучок был направлен на лист графена. Расстояние между атомами в графене хорошо соответствовало длине волны де Бройля позитрония при используемых в эксперименте энергиях. Когда атомы позитрония проходили через лист графена толщиной в два-три слоя, некоторые из них проходили насквозь и регистрировались. Полученные измерения выявили отчетливую дифракционную картину, подтверждающую волновое поведение.

Четкие дифракционные картины и квантовое поведение

По сравнению с более ранними методами, этот подход позволяет получать пучки позитрония с более высокими энергиями, достигающими 3,3 кэВ. Он также обеспечивает более узкий разброс энергий и более сфокусированный пучок. Проведение эксперимента в сверхвысоком вакууме позволило сохранить поверхность графена чистой, что сделало дифракционную картину более четкой.

Результаты показали, что, хотя позитроний состоит из двух частиц, он ведет себя как единый квантовый объект. Электрон и позитрон дифрагируют не по отдельности, а действуют вместе как одна волна.

«Этот новаторский экспериментальный рубеж знаменует собой крупный прогресс в фундаментальной физике. Он не только демонстрирует волновую природу позитрония как связанной лептон-антилептонной системы (системы, ведущей себя как крошечный атом), но и открывает пути для прецизионных измерений с участием позитрония», — говорит доктор Нагата.

Команда также исследовала, будет ли позитроний создавать интерференцию так же, как одиночная частица, например электрон. Их выводы подтвердили, что это так, укрепив идею о том, что он функционирует как единая квантовая сущность.

Будущие применения в материаловедении и исследованиях антиматерии

В дополнение к подтверждению его квантовых свойств, дифракция позитрония может привести к практическим применениям. Поскольку позитроний не несет электрического заряда, он может быть полезен для анализа поверхностей материалов без их повреждения. Это делает его особенно ценным для изучения изоляторов или магнитных материалов, которые могут мешать работе пучков заряженных частиц.

Заглядывая вперед, эксперименты с интерференцией позитрония могут также позволить проверить, как антиматерия реагирует на гравитацию. Этот вопрос остается открытым, поскольку прямые измерения до сих пор не были проведены даже для электронов.

Источники:

Материалы предоставлены Токийским университетом науки.

Юго Нагата, Рики Миками, Назрен Зафар, Ясуки Нагасима. Наблюдение дифракции позитрония. Nature Communications, 2025; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-67920-0