Przełom w fizyce. Schłodzili antymaterię niemal do zera absolutnego
Korzystając ze specjalnie skonstruowanego lasera, międzynarodowy zespół fizyków obniżył temperaturę pozytonu do zaledwie 0,8 Kelwina. To niebywały wyczyn, który być może niedługo pozwoli odkryć najmniejszą cząstkę atomu, jaka tylko istnieje.
Świat, jaki widzimy wokół siebie, jest niezwykły i fascynujący. Ale jeśli zejdziemy do tych naprawdę małych rozmiarów, którymi zajmuje się fizyka kwantowa, zaczyna się prawdziwa "magia". Nagle atom, który od szkolnych lat wyobrażaliśmy sobie jako zbitek protonów i neutronów, wokół których krążą mniejsze "kulki" - elektrony zdaje się zupełnie czym innym. Nagle pojawia się energia, która zamienia się w materię i odwrotnie. To tego dochodzi antymateria i próby zrozumienia jej rozkładu, dzięki któremu świat nie uległ anihilacji.
Problem w tym, że badanie tak niewyobrażalnie małych elementów jest ekstremalnie trudne. Fizycy próbujący zbadać pozytony, a więc w antymaterii odpowiedniki elektronów, napotykają na problem ich niezwykle szybkiego ruchu. To trochę jak próba usadzenia rozbrykanego dziecka na krześle u lekarza, który musi zajrzeć do gardła.
Tyle że w przypadku pozytonów, aby je spowolnić, niezbędne jest schłodzenie niemal do zera absolutnego. Sytuacji nie ułatwia fakt, że są one wyjątkowo niestabilne. Materia i antymateria unicestwiają się nawzajem, a także z łatwością wypluwają błysk promieniowania. Pozyton anihiluje w ciągu 142 miliardowych części sekundy, znikając w rozbłysku promieni gamma.
Zespoły fizyków z CERN i Uniwersytetu Tokijskiego w ramach współpracy AEgIS obniżył temperaturę chmury pozytonu do około Kelwina (-272°C), skutecznie zmniejszając ogólną prędkość i rozkład prędkości elektronów i pozytonów.
Fizykom udało się ochłodzić pozytony przy pomocy lasera
Chwila. Zatrzymajmy się. Przecież laser to energia. Jak więc można skierować w cząsteczkę źródło energii i oczekiwać ochłodzenia. Czy to nie tak, jakby poparzenie leczyć gorącą wodą? Cóż, jak to w fizyce bywa - to bardziej skomplikowane (choć na szczęście da się opowiedzieć prostymi słowami, bez wzorów). Naukowcy po raz pierwszy zaproponowali metodę laserowego chłodzenia pozytonów kilkadziesiąt lat temu, w 1988 roku. Ale dopracowanie jej zajęło dużo czasu, aż do teraz.
Chłodzenie laserowe to metoda obniżania temperatury oparta na cząsteczkach absorbujących i emitujących fotony. Kiedy cząstka pochłania foton, zyskuje energię; emitując foton, traci energię. Jeśli światło lasera zostanie skierowane wzdłuż ścieżki napływających cząstek, cząstki te pochłoną foton i wyemitują go ponownie w losowym kierunku, co zmienia jego pęd i spowalnia. Jednak długość fali światła laserowego musi być dostosowana do poziomu energii cząstki.
Zespół z Organizacji Badań nad Akceleratorami Wysokiej Energii w Japonii, kierowany przez fizyka Kenjiego Shu z Uniwersytetu Tokijskiego dostosował laser tak, żeby obniżyć temperaturę próbki do zaledwie 0,8 Kelwina.
Po co fizycy chcą obniżyć temperaturę pozytonów?
To jeden z kroków do stworzenia kondensatu Bosego-Einsteina z pozytonem. Chcą uzyskać chmurę cząsteczek o dużej gęstości, która działa jak jedna supercząsteczka. Fizycy uważają, że kondensat pozytonu Bosego-Einsteina można wykorzystać do wygenerowania spójnego światła gamma w wyniku samoanihilacji znajdującego się w nim pozytonu, a następnie wykorzystać to światło do odkrycia najdrobniejszej struktury atomów tworzących wszechświat.
- Kondensat antymaterii Bosego-Einsteina byłby niesamowitym narzędziem zarówno do badań podstawowych, jak i stosowanych. Zwłaszcza gdyby umożliwił wytwarzanie spójnego światła gamma, za pomocą którego badacze mogliby zajrzeć do wnętrza atomu jądro. - wyjaśnia rzecznik AEgIS Ruggero Caravita z CERN.
Literatura źródłowa: Glöggler L. T. et al. (AEḡIS Collaboration), 2024, Phys. Rev. Lett. 132, 083402, 22 lutego DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.083402
Shu K. i in., 2023, Laser cooling of positronium, arXiv:2310.08761v2 (dostęp 28.02.2024)
