В течение почти одной минуты частица находилась в состоянии когерентного колебания между двумя квантовыми спиновыми состояниями, демонстрируя устойчивую квантовую суперпозицию — это стало первым в истории примером выступления антиматерии в роли кубита. Эксперимент коллаборации BASE может кардинально повлиять на дальнейшие исследования симметрии между материей и антиматерией и даже изменить фундаментальные законы физики.
Антипротон — это антиматериальный двойник обычного протона: у него такая же масса, но противоположный электрический заряд. Подобно крошечным магнитам, эти частицы обладают так называемым магнитным моментом, который может быть направлен «вверх» или «вниз» в зависимости от квантового спина. Переходы между этими состояниями — процесс, аналогичный раскачиванию качелей, — являются квантово-механическим явлением, и его наблюдение требует исключительной точности. Ранее подобные эффекты удавалось наблюдать только в больших системах частиц или ионах, которые находились в ловушках, но никогда — у одиночного ядерного магнитного момента. Это достижение считалось теоретически возможным, но до сих пор было технически недостижимым.
Команда BASE использовала сложную систему электромагнитных ловушек (ловушки Пеннинга), чтобы изолировать антипротон и возбуждать в нем когерентные переходы между спиновыми состояниями. При этом физикам удалось устранить помехи — колебания магнитного поля и шумы измерительного оборудования. Это позволило зафиксировать спиновую когерентность антипротона на рекордные 50 секунд. Именно столь длительное «раскачивание» квантовых состояний без потери когерентности и позволило рассматривать частицу как полноценный кубит — базовый элемент квантовых вычислений.
Практическое применение такого антиматериального кубита в области квантовых технологий пока что маловероятно, но его значение для фундаментальной физики трудно переоценить. Измерение магнитного момента антипротона с высокой точностью — один из важнейших способов оценки симметрии между материей и антиматерией, или СРТ-инвариантности. Согласно этой симметрии, физические свойства частиц и античастиц должны быть абсолютно идентичны. Если обнаружится хотя бы незначительное расхождение в их поведении, это будет сигналом о наличии физики за пределами Стандартной модели — современного описания элементарных частиц и их взаимодействий.
Ранее BASE уже демонстрировала удивительную точность в сравнении протонов и антипротонов, установив, что их магнитные моменты совпадают до миллиардных долей. Но тогда использовались методы, основанные на некогерентной спектроскопии, где квантовые переходы нарушались внешними шумами. Новый метод когерентной спектроскопии, напротив, позволяет не просто «усреднять», а отслеживать поведение одной частицы с высокой временной и энергетической точностью.
В перспективе экспериментальная программа BASE будет продолжена с использованием усовершенствованной платформы BASE-STEP (об этом проекте мы рассказывали раньше). Ее уникальная особенность — способность транспортировать антипротоны в более «спокойные» магнитные условия за пределами фабрики антиматерии. Это позволит еще сильнее увеличить время когерентности и, соответственно, точность будущих измерений. По словам одного из ведущих авторов работы Барбары Латач, такие условия могут увеличить продолжительность когерентного состояния антипротона в 10 раз, что откроет совершенно новые горизонты в исследовании барионной антиматерии и проверке пределов известных физических теорий.
Ранее в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере ученые выяснили, зачем топ-кварки образуют пары.