Laser gamma coraz bliżej. W CERN-ie udało się laserowo schłodzić pozytronium
Naukowcom pracującym przy eksperymencie AEgIS w CERN-ie udało się, jako pierwszym w historii, schłodzić pozytronium (krążące wokół siebie elektron i pozyton) za pomocą wiązki lasera. To pierwszy krok w kierunku stworzenia lasera emitującego promieniowanie gamma. Urządzenie takie pozwoliłoby zajrzeć fizykom do wnętrza jądra atomu i znalazłoby zastosowanie również poza fizyką. Osiągnięcie przybliża też zespół AEgIS do przeprowadzenia bardzo precyzyjnych pomiarów, które mają dać odpowiedź na pytanie, czy materia i antymateria opadają na Ziemię w ten sam sposób.
AEgIS to jeden z kilku eksperymentów prowadzonych w Fabryce Antymaterii (Antimatter Factory) w CERN-ie. Wytwarzane są tam atomy antywodoru, które służą badaniom nad antymaterią. Żeby stworzyć atom antywodoru – czyli pozyton krążący wokół antyprotonu – AEgIS kieruje wiązkę pozytronium w chmurę spowolnionych antyprotonów. Gdy dochodzi do spotkania antyprotonu i pozytonium, pozyton z pozytonium jest przekazywany antyprotonowi i powstaje antywodór. Ten sposób wytwarzania antywodoru oznacza, że AEgIS może badać też samo pozytronium.
Pozytronium ma niezwykle krótki czas życia, wynoszący zaledwie 142 miliardowe części sekundy. Po tym czasie dochodzi do jego anihilacji i pojawienia się promieniowania gamma. Jako że jest to prosty system, złożony zaledwie z dwóch elementów, powinien być prosty do zbadania. Pod warunkiem jednak, że uda się schłodzić próbkę pozytronium do temperatury wystarczająco niskiej, by dokonać precyzyjnych pomiarów.
I właśnie to udało się zespołowi AEgIS. Naukowcy zastosowali technikę chłodzenia laserowego i obniżyli temperaturę swojej próbki z 380 do 170 kelwinów, czyli z niemal 107 do poniżej -103 stopni Celsjusza. I, co więcej, zapowiadają, że mają zamiar pokonać barierę 10 kelwinów (-263,15 C).
Laserowe schłodzenie pozytronium otwiera nowe perspektywy w badaniach nad antymaterią. Daje nadzieję na przeprowadzenie precyzyjnych pomiarów właściwości i zachowania w polu grawitacyjnym tego niezwykłego, a jednocześnie prostego układu materia-antymateria, jakim jest pozytronium. Przy osiągnięciu odpowiednio niskiej temperatury można będzie utworzyć kondensat Bosego-Einsteina złożony z pozytronium. A taki kondensat, jak przewidują teoretycy, powinien pozwolić na wytworzenie spójnej wiązki gamma dzięki wzajemnej anihilacji składowych pozytronium.
Kondensat Bosego-Einsteina złożony z antymaterii byłby niezwykłym narzędziem badawczym zarówno dla fizyki badań podstawowych, jak i stosowanych. Tym bardziej, gdybyśmy dzięki niemu mogli zbudować laser na promieniowanie gamma, który pozwoliłby zajrzeć do wnętrza jądra atomowego, wyjaśnia Ruggero Caravita, rzecznik prasowy AEgIS.
Lasera do schłodzenia antymaterii użyto po raz pierwszy zaledwie przed trzema laty. Zwykle w takich przypadkach wykorzystuje się laser wąskopasmowy. Naukowcy z CERN użyli lasera szerokopasmowego, co pozwoliło im schłodzić znaczną część próbki. Ponadto eksperyment przeprowadzono bez użycia zewnętrznego pola elektrycznego czy magnetycznego, co uprościło cały eksperyment i wydłużyło czas życia pozytronium.
Komentarze (13)
Jarek Duda, 24 lutego 2024, 08:07
Gdyby udało się zbudować graser ( https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_laser ) produkujący 782 keV fotony (prawdopodobnie się nie da), mógłby produkować wolne neutrony: p + 782keV -> n, czyli fuzja stałaby się trywialna.
Najwyżej energetycznie proponowany free electron laser ( https://accelconf.web.cern.ch/fel2017/papers/mop066.pdf ) ma 0.03nm czyli ~41keV. Już są pierwsze przejścia jądrowe FELami: https://physics.aps.org/articles/v7/20
... a jeśli by się udało, to dalsze pytanie czy liczba barionowa może być łamana (potrzebne np. dla bariogenezy czy promieniowania Hawkinga) - jeśli tak to znaczy że konfiguracja pól protonu to jest lokalne minimum energetyczne, więc może np. graserami dałoby się rozhuśtać z tego lokalnego minimum, stymulując rozpad protonu ... dając ultimate energy source: pełna konwersja materia -> energia: z dowolnej materii ~100x gęstość energii niż z fuzji (alternatywne podejście: ścisnąć materię do czarnej dziury i poczekać aż ona wypromieniuje).
Astro, 24 lutego 2024, 21:07
Tymczasem nie ten rząd wielkości.
Nie sądzę że za mojego życia, ale kto wie?
To zależy ile energii będzie wymagał laserek.
Jak się uda, to można będzie pogadać, bo tymczasem pomysłów "z czachy" dorzuciłbym jeszcze sporą garść, ale ostatnio nie piję alkoholu.
l_smolinski, 24 lutego 2024, 21:45
Jest jakaś hipotetyczna materia chociaż co odbija efektywnie takie ekstremalne częstotliwości? Tego chyba się nie przeskoczy.
Jarek Duda, 24 lutego 2024, 21:46
@Astro, gdybyś powiedział osobie sprzed 100 lat o obecnej technologii ... ja bym się nie zdziwił gdyby za 100 lat ludzkość opanowała stymulowany rozpad protonu, model który rozważam pozwala na szukanie takiej dynamiki.
Ogólnie pierwszy krok do nowej technologii to zwykle była otwartość na daną możliwość.
Astro, 25 lutego 2024, 18:12
Owszem, jak najbardziej, ale:
otwiera stare zagadnienie: odkrywcami są ci którzy nie wiedzą, że coś jest niemożliwe?
Powodzenia oczywiście życzę, nie tylko kilka punktów za publikacje, które i tak przejdą. Gratuluję Jarku konsekwencji. 
Jarek Duda, 26 lutego 2024, 05:09
Jeszcze raz: rozpad protonu jest konieczny zarówno dla (hipotetycznych) bariogenezy (dlaczego mamy więcej materii niż antymaterii?) i promieniowania Hawkinga - to drugie daje inną teoretyczną możliwość ultimate energy source: ścisnąć materię do czarnej dziury i poczekać aż wyparuje (zbierając mc^2 energię) ... inne argumenty to np. brak prawa Gaussa dla liczby barionowej, więc dlaczego miałaby być zachowywana - wiele modeli potrzebuje możliwości jej łamania.
Podczas gdy powyższe wymagają ekstremalnych warunków, nieskutecznie poszukuje się rozpadu protonu w wielkich zbiornikach wody - może po prostu kwestia zbyt mało ekstremalnych warunków, ja osobiście bym raczej szukał w centrach gwiazd neutronowych (szczególnie produkujących rzędy wielkości więcej energii niż pozwalają standardowe modele np. https://www.space.com/bizare-object-10-times-brighter-than-sun ), czy w LHC (niestety bardzo trudne do potwierdzenia/zaprzeczenia).
l_smolinski, 26 lutego 2024, 08:19
No ale czy proton to nie jest pentaquark? Tam ten rozpad, to rozpad mówiący czym jest proton (prawie).
https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaquark
Jarek Duda, 26 lutego 2024, 09:59
W rozpadzie protonu zostaje pozytron ( https://en.wikipedia.org/wiki/Proton_decay ), który w materii anihilowałby z elektronem - prowadząc do praktycznie pełnej konwersji materia -> energia (~100x gęstość energii niż fuzja, z dowolnej materii).
Podobne w promieniowaniu Hawkinga - produkuje bezmasowe cząstki z czegoś co powstało głównie z barionów.
Mechanizm zależy od modelu, w ~Landau-de Gennes który rozważam ( https://arxiv.org/pdf/2108.07896 ) ze (skwantowanym) ładunkiem topologicznym jako elektryczny, najprostszy węzeł wydaje się zgadzać z barionami, np. strukturalnie wymusza ładunek tłumacząc dlaczego proton jest lżejszy od neutronu (neutron musi skompensować ten ładunek), wiązanie i moment kwadrupolowy deuteronu.
Jeśli barion to rzeczywiście węzeł wirów topologicznych typu Abrikosova, stymulowanie jego rozpadu to byłaby np. próba rozbujania żeby dwa wiry mogły przeniknąć przez siebie - rozplątując węzeł. Mogłaby do tego wystarczyć np. elektromagnetyczna fala stojąca o olbrzymiej częstotliwości, którą można by uzyskać efektem dudnienia ( https://en.wikipedia.org/wiki/Beat_(acoustics) ) z dwóch laserów o bardzo bliskich częstotliwościach.
l_smolinski, 26 lutego 2024, 12:13
Hm.. ale to jest hipotetyczne, a to jest potwierdzone: https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaquark
Czy nie lepiej bazować na czymś co eksperymentalnie potwierdziło jak powstaje (prawie) proton niż, jak hipotetycznie proton się rozpada?
To jakieś lepsze pojęcie daje o tym czym proton może być.
Ten pentaquark rozpada się potem na proton i meson. To chyba wiele mówi o strukturze wewnętrznej protonu i tego jak powstaje.
Jarek Duda, 26 lutego 2024, 12:48
Skoro rozpada się na proton, chyba nie pomoże z hipotetycznym/potencjalnym stymulowanym łamaniem liczby barionowej?
Ja bym szukał numerycznie parametrów dudnienia, żeby podczas jednego EM chirpu poniżej rozbujac konfigurację pola barionu aby istotnie zwiększyć prawdopodienstwo wybicia z lokalnego minimum energii.
l_smolinski, 26 lutego 2024, 13:13
No, ale przed rozpadem to nie była złamana właśnie między innymi liczba barionowa? Pentaquark ma niby 1 ale rozpada się, więc może wcale nie miał 1, tylko coś innego.
Tam musiała być jakaś konfiguracja mało stabilna, może wynikająca właśnie z niedozwolonej liczby barionowej? To należało by wywnioskować z tego tworzenia razem z Kaonem.
Jarek Duda, 26 lutego 2024, 13:35
Nie wiem, wygląda na metastabilny stan wzbudzony barionu - może w kierunku łamania liczby barionowej ... ale niestety raczej niepraktyczny dla pozytywnego bilansu energetycznego.
peceed, 4 marca 2024, 16:57
A do jakiej reakcji ten neutron miałby się przydać? Bo o ile taki stymulowany rozpad to mógłby się odbyć, to nie widzę możliwości użytecznej fuzji, ale dużo już pozapominałem. Na zdrowy rozum - mamy bardzo dużo procesów generujących nadmiarowe neutrony w reaktorach, i nie spotkałem się z podejściem żeby generować za ich pomocą dodatkową energię. Oczywiście powodem może być znikoma wartość energetyczna potencjalnych reakcji w porównaniu do rozbicia uranu i niepotrzebne komplikacje techniczne. Jedynym ważnym procesem jest produkcja trytu, to jedyna fuzja jaka zachodzi.
Przede wszystkim powstały neutron byłby bardzo gorący , a do zabawy w przemiany jądrowe chcemy generować neutrony najlepiej zimne.
Słabo, chyba nie mamy tyle czasu. Czarne dziury najlepiej generują energię z materii w dyskach akreacyjnych.
Ściskanie materii do mikrodziur jest nierealne - nie ma z czego zrobić "szczypiec"
Negacja Mechaniki Kwantowej?
Lasery o wielkich częstotliwościach raczej zaczną reagować z protonem fotonami niż uzyskają jakieś subtelne dudnienie w jego wnętrzu.
Nie wiem też, czy w grę nie wejdzie kwantowy efekt Zenona - ładując co chwila fotony w ten proton sprawiamy, że się nie rozpadnie.
Detekcja też nie będzie prosta przy takim szumie.