Волновое поведение антиматерии впервые подтверждено экспериментально

Физикам впервые удалось зафиксировать квантовую интерференцию позитрония — нестабильной системы, состоящей из электрона и его античастицы позитрона. Эксперимент с использованием графеновой решётки наглядно продемонстрировал корпускулярно-волновой дуализм для частиц антиматерии, что открывает новые возможности для лабораторных измерений.

Исследователи из Токийского научного университета впервые наблюдали волновое поведение позитрония — связанного состояния электрона и позитрона. Этот результат подтверждает наличие квантовой интерференции у данного типа материи и публикуется в журнале Nature Communications.

Концепция корпускулярно-волнового дуализма лежит в основе квантовой механики. Ранее дифракция материальных волн была экспериментально подтверждена для электронов, нейтронов, атомов гелия и даже крупных молекул, однако для позитрония этот эффект долгое время оставался недоступным для прямого наблюдения.

Позитроний представляет собой короткоживущую двухчастичную систему с одинаковыми массами компонентов. Отсутствие электрического заряда и быстрое самоуничтожение (аннигиляция) существенно усложняли формирование стабильного пучка, необходимого для дифракционных измерений в вакууме.

Чтобы преодолеть эти трудности, физики сначала создали отрицательно заряженные ионы позитрония, а затем с помощью лазерного импульса удалили лишний электрон. Полученный нейтральный пучок частиц направили на лист графена толщиной всего в несколько атомных слоёв.

Проходя через кристаллическую решётку графена, позитроний оставил на детекторах чёткую дифракционную картину. Важно, что электрон и позитрон дифрагировали не по отдельности, а согласованно — как единый квантовый объект. Положение первого дифракционного пика точно соответствовало расчётам для составной частицы с длиной волны де Бройля, вдвое меньшей, чем у изолированного электрона.

Это открытие подтверждает, что позитроний ведёт себя как целостная волна материи, а не как две независимо интерферирующие частицы. Полученные результаты имеют не только фундаментальное значение для квантовой механики и физики антиматерии, но и открывают практические перспективы.

Разработанный метод генерации пучков позитрония может быть использован в материаловедении для неразрушающего анализа поверхностей изоляторов. В будущем эта технология позволит провести прецизионные эксперименты по измерению гравитационного воздействия на антивещество, а также создать конденсат Бозе — Эйнштейна из позитрония.