Većina atoma je napravljena od pozitivno naelektrisanih protona, neutralnih neutrona i negativno naelektrisanih elektrona. Pozitronijum je egzotični atom sastavljen od jednog negativnog elektrona i pozitivno naelektrisanog pozitrona antimaterije. Prirodno je vrlo kratkog veka, ali istraživači, uključujući i one sa Univerziteta u Tokiju, uspešno su hladili i usporavali uzorke pozitronijuma koristeći pažljivo podešene lasere.
Nalazi su objavljeni u časopisu Nature. Nadaju se da će ovo istraživanje pomoći drugima da istraže egzotične oblike materije i da bi takvo istraživanje moglo otkriti tajne antimaterije.
Nedostaje deo našeg univerzuma. Možda ste čuli tako bizarnu izjavu ako ste mnogo čitali o kosmologiji u poslednjih nekoliko decenija. Razlog zašto naučnici kažu da je to taj što je skoro sve stvari koje vidimo u univerzumu napravljene od materije, uključujući vas i planetu na kojoj stojite.
Međutim, dugo vremena znamo za antimateriju, koja je, kao što ime govori, neka vrsta suprotnosti od uobičajene materije, jer čestice antimaterije dele istu masu i druga svojstva svojih parnjaka materije, ali imaju suprotan naboj. . Kada se čestice materije i antimaterije sudare, one se uništavaju, a široko se veruje da su stvorene u jednakim količinama u zoru vremena. Ali to nije ono što sada vidimo.
„Savremena fizika uzima u obzir samo deo ukupne energije univerzuma. Proučavanje antimaterije bi nam moglo pomoći da objasnimo ovu neslaganje, a mi smo upravo napravili veliki korak u tom pravcu našim najnovijim istraživanjem“, rekao je vanredni profesor Kosuke Jošioka iz Fotonskog naučnog centra.
„Uspešno smo usporili i ohladili egzotične atome pozitronijuma, koji je 50% antimaterije. To znači da se po prvi put može istražiti na načine koji su ranije bili nemogući, a to će nužno uključiti dublje proučavanje antimaterije.“
Pozitronijum zvuči kao nešto pravo iz naučne fantastike, i uprkos tome što je vrlo kratkog veka, veoma je stvarna stvar. Zamislite to kao poznati atom vodonika, sa svojim centralnim, pozitivno naelektrisanim i relativno velikim protonom i sićušnim, negativno naelektrisanim elektronom u orbiti, osim što zamenite proton za antimaterijsku verziju elektrona, pozitron.
Ovo daje egzotični atom koji je električno neutralan, ali nema veliko jezgro; umesto toga elektron i pozitron postoje u međusobnoj orbiti, što ga čini sistemom sa dva tela.
Čak je i vodonik sistem sa više tela, pošto su proton u stvari tri manje čestice, koje se nazivaju kvarkovi, zalepljene zajedno. A pošto je pozitronijum sistem sa dva tela, može se u potpunosti opisati tradicionalnim matematičkim i fizičkim teorijama, što ga čini idealnim za testiranje predviđanja sa izuzetnom tačnošću.
„Za istraživače poput nas, koji su uključeni u ono što se zove precizna spektroskopija, mogućnost da precizno ispitaju svojstva ohlađenog pozitronijuma znači da ih možemo uporediti sa preciznim teorijskim proračunima njegovih svojstava“, rekao je Jošioka.
„Pozitronijum je jedan od retkih atoma koji se u potpunosti sastoji od samo dve elementarne čestice, što omogućava takve tačne proračune. Ideja o hlađenju pozitronijuma postoji već oko 30 godina, ali usputni komentar studenta Kenji Šua, koji je sada docent u mojoj grupi, podstakao me je da prihvatim izazov da to postignem, i konačno smo to uradili.“
Jošioka i njegov tim su imali nekoliko poteškoća da prevaziđu kada su pokušavali da ohlade pozitronijum. Prvo, tu je pitanje njegovog kratkog veka: jedan deseti milioniti deo sekunde. Drugo, tu je njegova ekstremna lagana masa. Pošto je tako lagan, ne možete koristiti hladnu fizičku površinu ili drugu supstancu da ohladite pozitronijum, pa je tim koristio lasere.
Možda mislite da su laseri veoma vrući, ali zaista, oni su samo paketi svetlosti, a način na koji se svetlost koristi određuje fizički uticaj koji ima na nešto. U ovom slučaju, slab i fino podešen laser nežno gura atom pozitronijuma u suprotnom smeru od njegovog kretanja, usporavajući ga i hladeći u tom procesu.
Radite ovo više puta i za samo jedan deseti milioniti deo sekunde ohlađene porcije pozitronijumovog gasa do oko 1 stepen iznad apsolutne nule (-273 stepena Celzijusa), najhladnije što može da dobije. S obzirom da je pozitronijumski gas na 600 Kelvina, ili 327 stepeni Celzijusa, pre hlađenja, ovo je prilično dramatična promena u tako kratkom vremenskom periodu.
„Naše kompjuterske simulacije zasnovane na teorijskim modelima sugerišu da bi gas pozitronijuma mogao biti čak hladniji nego što trenutno možemo da izmerimo u našim eksperimentima. To implicira da je naš jedinstveni laser za hlađenje veoma efikasan u smanjenju temperature pozitronijuma i koncept može, nadamo se, pomoći istraživačima da prouče drugi egzotični atomi“, rekao je Jošioka.
„Ovaj eksperiment je koristio laser u samo jednoj dimenziji, međutim, i ako iskoristimo sve tri, možemo još preciznije da izmerimo svojstva pozitronijuma. Ovi eksperimenti će biti značajni jer ćemo možda moći da proučavamo efekat gravitacije na antimateriju. To je samo jedna dimenzija“, rekao je on. Ako se antimaterija ponaša drugačije u odnosu na uobičajenu materiju zbog gravitacije, to bi moglo pomoći da se objasni zašto neki deo našeg univerzuma nedostaje.“
Više informacija: Kosuke Ioshioka, Hlađenje pozitronijuma do ultraniskih brzina sa cirknutim nizom laserskih impulsa, Priroda (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07912-0 . vvv.nature.com/articles/s41586-024-07912-0
Podaci o časopisu: Priroda
Obezbeđuje Univerzitet u Tokiju
Istražite dalje
