Używając laserów do ochłodzenia atomów pozytu do prawie absolutne zeronaukowcy pogłębili naszą wiedzę na temat antymaterii, potencjalnie rzucając światło na kosmologiczne tajemnice, takie jak brakująca materia we wszechświecie.
Większość atomów składa się z dodatnio naładowanych protonów, obojętnych neutronów i ujemnie naładowanych elektronów. Pozyton jest egzotykiem atom składa się z pojedynczego ujemnego elektronu i dodatnio naładowanego pozytonu antymaterii.
Jest naturalnie bardzo krótkotrwały, ale naukowcom, w tym badaczom z Uniwersytetu Tokijskiego, udało się schłodzić i spowolnić próbki pozytu za pomocą starannie dostrojonych laserów. Mają nadzieję, że te badania pomogą innym odkrywać egzotyczne formy materii i że takie badania mogą odkryć tajemnice antymaterii.
Tajemnica brakującego wszechświata
Brakuje części naszego wszechświata. Być może słyszeliście takie dziwaczne stwierdzenie, jeśli w ciągu ostatnich kilku dekad dużo czytaliście o kosmologii. Naukowcy tak twierdzą, ponieważ prawie cała rzecz, którą widzimy we wszechświecie, łącznie z tobą i planetą, na której stoisz, zbudowana jest z materii.
Jednak od dawna wiemy o antymaterii, która jak sama nazwa wskazuje, jest swego rodzaju przeciwieństwem zwykłej materii, ponieważ cząstki antymaterii mają tę samą masę i inne właściwości co ich odpowiedniki w materii, ale mają przeciwny ładunek. Kiedy cząstki materii i antymaterii zderzają się, ulegają anihilacji i powszechnie uważa się, że powstały w równych ilościach u zarania dziejów. Ale to nie to, co teraz widzimy.
Postępy w badaniach nad antymaterią
„Współczesna fizyka uwzględnia jedynie część całkowitej energii wszechświata. Badanie antymaterii może pomóc nam wyjaśnić tę rozbieżność, a dzięki naszym najnowszym badaniom właśnie zrobiliśmy duży krok w tym kierunku” – powiedział profesor nadzwyczajny Kosuke Yoshioka z Photon Science Center.
„Udało nam się spowolnić i schłodzić egzotyczne atomy pozytonu, który w 50% składa się z antymaterii. Oznacza to, że po raz pierwszy będzie można ją badać w sposób wcześniej niemożliwy do osiągnięcia, co koniecznie będzie obejmować głębsze badanie antymaterii”.
Zrozumienie właściwości pozytu
Pozyton brzmi jak coś rodem z science fiction i pomimo tego, że jest bardzo krótkotrwały, jest bardzo realny. Pomyśl o nim jak o znajomym atomie wodoru, z jego centralnym, dodatnio naładowanym i stosunkowo dużym protonem oraz malutkim, ujemnie naładowanym elektronem na orbicie, z tą różnicą, że zamienisz proton na antymateryjną wersję elektronu, czyli pozyton.
Daje to egzotyczny atom, który jest elektrycznie obojętny, ale nie ma dużego jądra; zamiast tego elektron i pozyton istnieją na wspólnej orbicie, co czyni go układem dwóch ciał. Nawet wodór jest układem wielociałowym, ponieważ proton to tak naprawdę trzy mniejsze cząstki, zwane kwarkami, sklejone ze sobą. A ponieważ pozyton jest układem składającym się z dwóch ciał, można go w pełni opisać tradycyjnymi teoriami matematycznymi i fizycznymi, co czyni go idealnym do testowania przewidywań z ekstremalnymi dokładność.
„Dla badaczy takich jak my, zajmujących się tak zwaną spektroskopią precyzyjną, możliwość dokładnego zbadania właściwości schłodzonego pozytu oznacza, że możemy je porównać z precyzyjnymi teoretycznymi obliczeniami jego właściwości” – powiedział Yoshioka. „Pozyton jest jednym z nielicznych atomów składających się wyłącznie z dwóch cząstek elementarnych, co pozwala na tak dokładne obliczenia. Pomysł chłodzenia pozytu istnieje od około 30 lat, ale przypadkowy komentarz studenta Kenji Shu, który jest obecnie adiunktem w mojej grupie, skłonił mnie do podjęcia wyzwania, jakim jest jego osiągnięcie, i w końcu się udało”.
Przełom w chłodzeniu pozytu
Próbując schłodzić pozyton, Yoshioka i jego zespół musieli pokonać kilka trudności. Po pierwsze, jest kwestia jego krótkiego życia: jednej dziesięciomilionowej sekundy. Po drugie, jest jego ekstremalnie lekka masa. Ponieważ jest tak lekki, nie można użyć zimnej powierzchni fizycznej ani innej substancji do ochłodzenia pozynu, dlatego zespół użył laserów.
Może się wydawać, że lasery są bardzo gorące, ale w rzeczywistości to tylko pakiety światła, a sposób, w jaki światło jest wykorzystywane, determinuje fizyczny wpływ, jaki wywiera ono na coś. W tym przypadku słaby i precyzyjnie dostrojony laser delikatnie popycha atom pozytonu w kierunku przeciwnym do jego ruchu, spowalniając go i chłodząc.
Robiąc to wielokrotnie i w ciągu zaledwie jednej dziesięciomilionowej sekundy, schładza się porcje gazowego pozytonu do około 1 stopnia powyżej zera absolutnego (-273 stopni Celsjusz), najzimniejsze, co może być. Biorąc pod uwagę, że gaz pozytonowy ma temperaturę 600 kelwinów, czyli 327 stopni Celsjusza, przed ochłodzeniem, jest to dość dramatyczna zmiana w tak krótkim czasie.
„Nasze symulacje komputerowe oparte na modelach teoretycznych sugerują, że gaz pozytonowy może być jeszcze zimniejszy, niż możemy obecnie zmierzyć w naszych eksperymentach. Oznacza to, że nasz unikalny laser chłodzący jest bardzo skuteczny w obniżaniu temperatury pozytu, a nasze koncepcje mogą, miejmy nadzieję, pomóc naukowcom w badaniu innych egzotycznych atomów” – powiedział Yoshioka.
„Jednak w tym eksperymencie wykorzystano laser tylko w jednym wymiarze, a jeśli wykorzystamy wszystkie trzy, będziemy mogli jeszcze dokładniej zmierzyć właściwości pozytu. Eksperymenty te będą znaczące, ponieważ być może uda nam się zbadać wpływ grawitacji na antymaterię. Jeśli antymateria pod wpływem grawitacji zachowuje się inaczej niż zwykła materia, może to pomóc wyjaśnić, dlaczego brakuje części naszego wszechświata.”
Odniesienie: „Chłodzenie pozytonu do ultraniskich prędkości za pomocą ćwierkającego ciągu impulsów laserowych” autorstwa K. Shu, Y. Tajima, R. Uozumi, N. Miyamoto, S. Shiraishi, T. Kobayashi, A. Ishida, K. Yamada, RW Gladen, T. Namba, S. Asai, K. Wada, I. Mochizuki, T. Hyodo, K. Ito, K. Michishio, BE O’Rourke, N. Oshima i K. Yoshioka, 11 września 2024, Przyroda.
DOI: 10.1038/s41586-024-07912-0
Badanie to było wspierane przez flagowy program MEXT Quantum Leap (MEXT Q-LEAP) o numerze grantu JPMXS0118067246, program JST FOREST (numer grantu JPMJFR202L), numer grantu JSPS KAKENHI JP16H04526, JP17H02820, JP17H06205, JP17J03691, JP18H0385 5, JP19H01923, JP21K13862, JP22KJ0637 , JP24H00217, Grant na projekty badań podstawowych od Fundacji Sumitomo, FUNDACJI MATSUO, Stowarzyszenia Nauki i Technologii Mitutoyo (MAST), Fundacji Badawczej na rzecz Optonauki i Technologii oraz Fundacji Mitsubishi. Prace te wykonano za zgodą Komitetu Doradczego Programu Photon Factory (numery propozycji 2020G101, 2022G087, 2023G660).
