|
Охлажденный позитроний для исследования антивещества
|
|
|
|
Большинство атомов состоят из положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов. Позитроний - это экзотический атом, состоящий из единственного отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного позитрона антивещества. Естественно, он очень недолговечен, но исследователи, в том числе из Токийского университета, успешно охлаждали и замедляли образцы позитрония с помощью тщательно настроенных лазеров.
|
|
|
|
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Они надеются, что это исследование поможет другим людям исследовать экзотические формы материи и что такие исследования могут раскрыть секреты антиматерии.
|
|
|
|
В нашей Вселенной не хватает чего-то нового. Возможно, вы слышали такое странное утверждение, если много читали о космологии за последние несколько десятилетий. Причина, по которой ученые утверждают это, заключается в том, что почти все, что мы видим во Вселенной, состоит из материи, включая вас и планету, на которой вы стоите.
|
|
|
|
Однако мы уже давно знаем об антивеществе, которое, как следует из названия, является своего рода противоположностью обычной материи в том смысле, что частицы антивещества имеют ту же массу и другие свойства, что и их материальные аналоги, но имеют противоположный заряд. Когда частицы материи и антивещества сталкиваются, они аннигилируют, и широко распространено мнение, что они были созданы в равных количествах на заре времен. Но это не то, что мы видим сейчас.
|
|
|
"Современная физика объясняет только часть общей энергии Вселенной. Изучение антивещества может помочь нам объяснить это несоответствие, и мы только что сделали большой шаг в этом направлении благодаря нашим последним исследованиям", - сказал доцент Косуке Йошиока (Kosuke Yoshioka) из Научного центра Photon.
|
|
|
|
"Мы успешно замедлили и охладили экзотические атомы позитрония, который на 50% состоит из антивещества. Это означает, что впервые его можно исследовать способами, которые ранее были невозможны, и это обязательно будет включать более глубокое изучение антивещества".
|
|
|
|
Позитроний звучит как нечто прямо из научной фантастики, и, несмотря на то, что он очень недолговечен, он вполне реален. Думайте об этом как о знакомом атоме водорода, с его центральным, положительно заряженным и относительно большим протоном и крошечным отрицательно заряженным электроном на орбите, за исключением того, что вы заменяете протон на версию электрона из антивещества, позитрон.
|
|
|
|
В результате получается экзотический атом, который электрически нейтрален, но не имеет большого ядра; вместо этого электрон и позитрон находятся на взаимной орбите, что делает его системой из двух тел.
|
|
|
|
Даже водород представляет собой систему из нескольких тел, поскольку протон на самом деле представляет собой три более мелкие частицы, называемые кварками, соединенные вместе. А поскольку позитроний состоит из двух тел, он может быть полностью описан традиционными математическими и физическими теориями, что делает его идеальным для проверки предсказаний с предельной точностью.
|
|
|
|
"Для таких исследователей, как мы, занимающихся так называемой прецизионной спектроскопией, возможность точно исследовать свойства охлажденного позитрония означает, что мы можем сравнить их с точными теоретическими расчетами его свойств", - сказал Йошиока.
|
|
|
|
"Позитроний - один из немногих атомов, полностью состоящих всего из двух элементарных частиц, что позволяет проводить такие точные расчеты. Идея охлаждения позитрония существует уже около 30 лет, но случайное замечание студента-старшекурсника Кенджи Шу, который сейчас является доцентом в моей группе, побудило меня взяться за решение этой задачи, и мы, наконец, это сделали".
|
|
|
|
Йошиока и его команда столкнулись с рядом трудностей при попытке охладить позитроний. Во-первых, это проблема его короткого срока службы: одна десятимиллионная доля секунды. Во-вторых, это его чрезвычайно малая масса. Поскольку позитроний настолько легкий, вы не можете использовать холодную физическую поверхность или другое вещество для его охлаждения, поэтому команда использовала лазеры.
|
|
|
|
Вы можете подумать, что лазеры очень горячие, но на самом деле это всего лишь пучки света, и именно способ использования света определяет физическое воздействие, которое он оказывает на что-либо. В этом случае слабый и тонко настроенный лазер мягко воздействует на атом позитрония в направлении, противоположном его движению, замедляя его и охлаждая в процессе.
|
|
|
|
Повторяя это многократно и всего за одну десятимиллионную долю секунды, мы охлаждаем порции газообразного позитрония примерно на 1 градус выше абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию), что является самым холодным показателем, который только может быть. Учитывая, что температура газообразного позитрония перед охлаждением составляет 600 Кельвинов, или 327 градусов Цельсия, это довольно резкое изменение за столь короткий промежуток времени.
|
|
|
|
"Наше компьютерное моделирование, основанное на теоретических моделях, предполагает, что газообразный позитроний может быть даже холоднее, чем мы можем измерить в настоящее время в наших экспериментах. Это означает, что наш уникальный охлаждающий лазер очень эффективен при снижении температуры позитрония, и мы надеемся, что эта концепция поможет исследователям изучать другие экзотические атомы", - сказал Йошиока.
|
|
|
|
"Однако в этом эксперименте лазер использовался только в одном измерении, и если мы используем все три, то сможем измерить свойства позитрония еще точнее. Эти эксперименты будут иметь большое значение, поскольку мы, возможно, сможем изучить влияние гравитации на антивещество. Если антивещество ведет себя не так, как обычная материя, из-за силы тяжести, это может помочь объяснить, почему часть нашей вселенной отсутствует".
|
|
|
|
Источник
|
