Позитрон служит античастицей электрона: у двух частиц одинаковая масса, но противоположные электрические заряды. Физиков особенно интересует их магнитный момент, то есть то, как электрон и позитрон ведут себя в магнитном поле. Согласно Стандартной модели, магнитные моменты должны совпадать по величине и различаться знаком. Если точные измерения покажут устойчивое расхождение, физикам придётся искать объяснение за пределами нынешней теории.

За этим сравнением стоит CPT-симметрия. В упрощённом виде принцип требует, чтобы законы физики не менялись, если одновременно заменить частицы античастицами, зеркально отразить пространство и обратить направление времени. Поэтому электрон и позитрон дают физикам особенно чистый способ проверить, насколько строго природа соблюдает такое правило.

Главной проблемой оказалось не измерение, а доставка единственного позитрона в чрезвычайно изолированную область установки. Физики получают частицы из радиоактивного натрия-22 с энергией до 546 кэВ, а затем замедляют их более чем на десять порядков по энергии. В конце пути позитрон попадает в ловушку Пеннинга, где электрическое и магнитное поля не дают заряженной частице коснуться стенок.

Просто оставить в ловушке большое отверстие нельзя. Электроды одновременно образуют почти закрытую микроволновую полость, которая помогает сохранять возбуждённые состояния позитрона достаточно долго для измерения. Поэтому исследователи сначала замедляют позитрон, затем дают ему захватить электрон и получить нейтральный атом позитрония. Позитроний проходит через отверстие диаметром всего 625 мкм, после чего электрическое поле отрывает электрон, а позитрон остаётся внутри.

Загрузка одной частицы пока занимает от восьми до 11 часов. Зато пойманный позитрон может оставаться в установке месяцами. Ловушку охлаждают примерно до 300 мК, или около −272,85 °C. При столь низкой температуре почти исчезают тепловые фотоны, способные случайно возбуждать частицу, поэтому физики могут сначала привести её циклотронное движение в основное квантовое состояние, а затем намеренно менять его микроволновыми импульсами.

В магнитном поле 5,6 Тл позитрон движется с циклотронной частотой около 156 ГГц. Исследователи переводят частицу между отдельными квантовыми уровнями и определяют её состояние, не выпуская из ловушки. Каждый дополнительный квант меняет частоту движения позитрона вдоль оси установки примерно на 3,8 Гц, поэтому прибор различает отдельные квантовые скачки и перевороты спина.

Без специальной микроволновой полости возбуждённое состояние при таком магнитном поле прожило бы лишь около 83 мс. Конструкция ловушки подавляет спонтанное излучение и увеличивает время примерно до четырёх секунд. Этого хватает, чтобы прибор успел зарегистрировать состояние частицы.

Новый результат пока не означает, что магнитный момент позитрона уже измерили с рекордной точностью. Физики показали необходимый набор операций: одну античастицу можно поймать, охладить, долго хранить, переводить между квантовыми состояниями и считывать результат без уничтожения позитрона. Дальше потребуется точная спектроскопия и тщательный контроль помех.

Лучшее прямое сравнение электронов и позитронов пока восходит к эксперименту 1987 года, который подтвердил равенство их g-факторов с точностью около 2,1 части на триллион. Современные измерения электрона ушли значительно дальше. Авторы новой установки ожидают, что квантовый циклотрон позволит примерно в 30 раз улучшить точность для позитрона и подвергнуть CPT-симметрию одной из самых строгих проверок в лептонном секторе.

Даже подтверждение полного совпадения даст физикам более жёсткое ограничение на возможные отклонения от Стандартной модели. А обнаруженное различие стало бы намного более громким результатом: современная квантовая теория требует равенства соответствующих свойств частиц и античастиц, поэтому убедительное нарушение заставило бы пересматривать её фундаментальные основы.