Przełom w fizyce. Schłodzili antymaterię niemal do zera absolutnego

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.

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.

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)