Российские ученые выяснили, что так называемый закрученный электрон может вести себя как волна даже при высоких энергиях, в то время как волновые свойства обычных электронов теряются при ускорении. Проверить полученные результаты ученые планируют с помощью экспериментов на современных коллайдерах. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов. Статья об работе опубликована в журнале Physical Review A.

Около ста лет назад физики выяснили, что электрон обладает свойствами как волны, так и частицы. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма. При скоростях, близких к скорости света, электрон перестает проявлять волновые свойства, и его можно рассматривать как частицу.

В 2010–2011 годах физики научились получать так называемые закрученные электроны, а чуть позже и нейтроны. «Закрученные» электроны отличаются от обычных тем, что кроме поступательного движения в пространстве их волновой фронт вращается вокруг направления движения. Это, казалось бы, незначительное отличие в корне меняет свойства элементарной частицы.

««Закрученные» фотоны ранее привели к созданию нового типа так называемых оптических пинцетов — устройств, позволяющих передвигать и вращать микроскопические объекты с помощью светового пучка. Генерация электронов и нейтронов в «закрученном» состоянии позволила существенно улучшить качество анализа магнитных свойств наноматериалов, открыла новые возможности для атомной спектроскопии и электронной микроскопии с субнанометровым разрешением», — говорит автор работы, старший научный сотрудник Томского государственного университета Дмитрий Карловец.

Ученые исследовали поведение «закрученных» электронов при скоростях, близких к скорости света. Для этого они проводили моделирование с помощью компьютерных программ, а также использовали методы математической физики для описания процессов, происходящих с «закрученным» электроном при высоких энергиях.

В результате исследования ученые выяснили, что, в отличие от обычного, «закрученный» электрон при ускорении до скоростей, близких к скорости света, не теряет «закрученности», то есть волновых свойств. Также исследователи показали еще один эффект, отличающий «закрученный» электрон от обычного. Он заключается в увеличении эффективной массы этой элементарной частицы. По словам ученых, это очень похоже на эффект утяжеления электрона во внешнем электромагнитном поле, где за счет взаимодействия с фотонами (квантами света) масса электрона увеличивается. «Закрученный» электрон также становится эффективно тяжелее обычного за счет дополнительной «вращательной» энергии.

«Данное свойство мы планируем проверить в экспериментах на современных коллайдерах — ускорителях частиц. Для их проведения необходимо было убедиться, что свойство «закрученности» сохраняется при ускорении. Наша работа дает положительный ответ на этот вопрос, что открывает принципиальную возможность получения «закрученных» электронов высокой энергии», — заключает Дмитрий Карловец.