Антиматерія так само, як і матерія може поводитися і як частинка, і як хвиля - це вперше показали фізики з Італії та Швейцарії в експерименті з позитронами, античастинками електрону. Спостереження показали, що позитрони можуть інтерферувати один з одним, тобто демонструвати квантово-хвильовий дуалізм, йдеться в статті, опублікованій в журналі.
Поняття «квантово-хвильовий дуалізм» сформулював ще в 1923 році один із засновників квантової фізики Луї де Бройль. Він показав, що у частинок, що володіють імпульсом p, є «власна» довжина хвилі, яка залежить від p і постійної Планка: λdB = h/p. У певній ситуації частинки можуть демонструвати властивості хвилі. Цей ефект був підтверджений для електронів, нейтронів і навіть для молекул - наприклад, для фуллерена C70 і тетрафенілпорфірину.
У класичних експериментах такого роду зазвичай використовується експериментальна установка з подвійною щілиною: хвиля, пройшовши крізь щілини, повинна сформувати на екрані за ним дифракційну картину - ряд смуг, максимумів, де хвилі підсилюють один одного за рахунок інтерференції, і мінімумів, де вони один одного гасять. Потік частинок, пройшовши крізь щілини повинен залишити тіні - тільки дві смуги.
Колаборація QUPLAS (QUantum interferometry and gravity with Positrons and LASers), до якої входять вчені з італійського Національного інституту ядерної фізики (INFN), університету Берна та Міланського політехнічного університету, вирішила провести цей класичний експеримент з частинками антиматерії - позитронами. Вони розробили і побудували інтерферометричну установку, адаптовану для потоку низькоенергетичних позитронів.
Потік позитронів з енергією близько 3 електронвольт в експерименті продукувало радіоактивне джерело на основі ізотопу 22Na. Потім частинки розганяли на електростатичному прискорювачі до енергії 16 кілоелектронвольт, отримуючи таким чином суворо монохроматичний пучок позитронів. Потік проходив через дві інтерферометричні решітки, зроблені смужок нітриду кремнію товщиною 700 нанометрів. Відстань між «прутами» решітки становила близько 1,2 мікрону. За ґратами знаходився детектор - світлочутлива плівка товщиною 50 мікрон на базі броміду срібла.
Вимірювання проводилися для енергій позитронів 16, 14, 11, 9 і 8 кілоелектронвольт. Для експозиції плівки та отримання дифракційної картини потрібен був дуже довгий час - від 120 до 200 годин. Потім фізики вивчали плівку в мікроскоп. В результаті вчені отримали дифракційну картину з періодом (відстанями між максимумами) близько 5,85 мікрон.
«Наші спостереження доводять хвильову природу позитронів», - говорить співавтор дослідження Паола Скамполі (Paola Scampoli) з університету Берна.
Надалі вчені планують використовувати розроблені ними методи для надточних вимірювань нейтральної антиматерії, зокрема, гравітаційних властивостей позитронію, мюонію та антиводню. Ця робота необхідна для пошуку фундаментальних відмінностей антиматерії і матерії, які, можливо, дозволять пояснити, чому в спостережуваному Всесвіті антиматерія практично відсутня.
Раніше вчені змогли з високою точністю виміряти спектр антиводню, отримали за допомогою петаваттного лазера фонтан античастинок і навчилися перевозити антиматерію з місця на місце. Детальніше про антивіщення читайте в нашому матеріалі «З точністю до навпаки».