Antymateria schłodzona do niemal zera absolutnego za pomocą wiązki laserowej

Naukowcy po raz pierwszy schłodzili antymaterię do niemal zera absolutnego – trzymając ją w pułapce magnetycznej i wystrzeliwując w nią skoncentrowaną wiązkę lasera.

Metoda ta umożliwiła naukowcom z Kanady pracującym w eksperymencie CERN Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) schłodzenie antymaterii do temperatury zaledwie jednej dwudziestej stopnia powyżej zera bezwzględnego, co czyni ją ponad 3000 razy niższą niż najniższa zarejestrowana temperatura na Antarktydzie.

Teoretycznie ta bardzo schłodzona antymateria może pomóc w odkryciu niektórych z największych tajemnic wszechświata, takich jak wpływ grawitacji na antymaterię i sprawdzenie, czy niektóre z podstawowych symetrii teoretycznych proponowanych przez fizykę są prawdziwe.

Antymateria jest eterycznym przeciwieństwem zwykłej materii. Teoria antymaterii została po raz pierwszy przedstawiona przez Paula Diraca w 1928 roku i została odkryta zaledwie cztery lata później. Cząsteczki antymaterii i materii różnią właściwości fizyczne – gdy elektron ma ładunek ujemny, jego odpowiednik antymaterii, pozyton, ma ładunek dodatni. Powodem, dla którego nie spotykamy antymaterii tak często, jak zwykłej materii, jest to, że te dwie cząsteczki unicestwiają się nawzajem w kontakcie, co sprawia, że ​​niezwykle trudno jest przechowywać i badać antymaterię “żyjącą” w świecie materialnym.

Jednak dzięki serii genialnych technicznych osiągnięć naukowcom udało się to osiągnąć. Po przyspieszeniu zwykłych cząstek materii do prędkości bliskiej światła, a następnie zderzeniu ich ze sobą, zespół był w stanie stworzyć antycząstki. Następnie zespół sterował i spowalniał pędzące antycząstki za pomocą niezwykle silnych pól magnetycznych i elektrycznych. Wreszcie zespół zamknął chmury pozytonów i antyprotonów w polu magnetycznym, dopóki nie połączą się, tworząc antywwodór. W tym momencie naukowcy schłodzili chmurę antywodoru, wystrzeliwując w nią laserem.

Ale jak schłodzić coś laserem? Ruch cząstek wytwarza ciepło. Tak więc sztuczka polega na tym, że fotony (cząstki światła) w wiązce lasera poruszają się w przeciwnym kierunku niż poruszające się cząsteczki antymaterii. Ponieważ fotony mają swój własny pęd który jest “wchłaniany” go przez antywodór podczas podróży w przeciwnym kierunku, co może w rzeczywistości spowolnić “działanie” antywodoru. Ale światło może oddziaływać z antymaterią tylko wtedy, gdy jest dostrojone do bardzo specyficznych długości fal, przy których światło może być absorbowane przez antyatom.

„Pomyśl o antywodorze jak o kamieniu do curlingu, a fotony jak o małych krążkach hokejowych” – powiedział Makoto Fujiwara, rzecznik kanadyjskiego zespołu ALPHA. „Próbowaliśmy spowolnić kamień, strzelając w niego krążkami. To naprawdę trudne w skali atomowej, więc wykorzystujemy efekt Dopplera, aby dostroić krążki, aby mogły wchodzić w interakcje tylko z kamień, gdy zmierza w naszą stronę, a nie z dala od nas, ani w spoczynku”

Efekt Dopplera – gdzie obserwowana długość fali światła jest zgniatana lub wydłużana, jeśli źródło światła przemieszcza się w kierunku obserwatora lub w kierunku przeciwnym – umożliwił naukowcom bardzo precyzyjne dostrojenie długości fali fotonów, tak aby były absorbowane przez cząsteczki antywodoru tylko wtedy, gdy zbliżali się do nich, spowalniając cząsteczki antywodoru.

Ochłodzona antymateria pomoże badaczom w wykonywaniu znacznie dokładniejszych pomiarów, otwierając szereg eksperymentów w celu zbadania niektórych z najgłębszych tajemnic fizyki. Na przykład upuszczając chmurę antymaterii na pewnej wysokości, mogą sprawdzić, czy reaguje na grawitację w taki sam sposób, jak zwykła materia. Albo świecąc światłem na tę chmurę, mogą z niespotykaną precyzją porównać poziomy energii antywodoru z normalną materią.

Fujiwara jest szczególnie podekscytowany możliwością użycia swojej ochłodzonej antymaterii w eksperymencie z interferometrem.

„Chcemy uzyskać jeden antyatom w próżni i podzielić go na superpozycję kwantową, tak aby tworzył wzorzec interferencji z samym sobą”, powiedział Fujiwara. Superpozycja kwantowa pozwala bardzo małym cząsteczkom, takim jak antywodór, pojawiać się jednocześnie w więcej niż jednym miejscu. Ponieważ cząsteczki kwantowe zachowują się zarówno jak cząstka, jak i fala, mogą interferować ze sobą, tworząc wzór szczytów i dolin, podobnie jak duże fale na morzu.

„W ten sposób możemy naprawdę dokładnie zbadać sposób, w jaki oddziałuje on z innymi siłami i jakie są jego ogólne właściwości”.

Zespół zaproponował również wysłanie antyatomów w przestrzeń kosmiczną, a także połączenie ich w celu wyprodukowania pierwszych na świecie cząsteczek antymaterii.

Odkrycia naukowców zostały opublikowane 31 marca w czasopiśmie Nature.

Źródło: Ben Turner

Laser cooling of antihydrogen atoms

Zdjęcie: Maximilien Brice

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x