De la studiul antimateriei la un laser de raze gama bazat pe anihliarea acesteia

De la studiul antimateriei la un laser de raze gama bazat pe anihliarea acesteia sursa foto: AEgIS, CERN

Într-un articol recent publicat în revista Physical Review Letters membrii colaborării AEgIS de la CERN, colaborare care studiază proprietățile antimateriei, propun un nou fel de laser bazat pe anihliarea atomilor de antimaterie formati dintr-un electron si un pozitron (pozitroniu). Acest gen de laser ar putea fi folosit în studiul materiei nucleare.

Antimateria

Atomii sunt alcătuiți di nuclee în jurul cărora orbitează electronii. Nucleele la rândul lor sunt compuse din protoni și neutroni; protonii au sarcină electrică pozitivă, în timp ce electronii o sarcină electrică negativă.

Protonii, electronii și neutronii sunt particule de materie „normală”; există însă și particule de antimaterie – adică particule care au aceeași masă și alte proprietăți egale cu cele ale materiei, însă sarcina electrică opusă. De exemplu antiprotonii au masă identică cu cea a protonilor (din câte știm) însă o sarcină electrică negativă; antielectronii – numiți și pozitroni – au masă egală cu a electronilor, însă sarcina electrică pozitivă. Antiparticulele pot formă la rândul lor atomi de antimaterie. De exemplu antihidrogenul este compus dintr-un antiproton și un pozitron.

De ce studiem antimateria?

Studiul antimateriei este extrem de interesant și important din mai multe motive. Unul dintre acestea este studiul proprietăților antimateriei în comparație cu cele ale materiei: se comportă în același fel? Ce se întîmplă cu antimateria într-un câmp gravitațional? Cade „în jos”, precum materia, sau „o ia în sus”, un fel de anti-gravitație?

Ne puteți urmări și pe Google News

Și chiar dacă se comportă precum materia normală, este constanta gravitațională aceeași? Ba mai mult: legile de simetrie care sunt valabile pentru materie, sunt aceleași pentru antimaterie? Știm de exemplu că anumite particule nu se comportă la fel că antiparticulele – de exemplu kaonii, în cadrul proceselor de interacțiune nucleară slabă. Studiul antimateriei este însă extrem de dificil, întrucât trebuie să ne-o producem la acceleratoare.

Experimentul AEgIS de la CERN

Unul dintre experimentele care produc și studiază antimaterie la CERN (la fabrica de antimaterie – deci nu la marele accelerator LHC) este AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) care are obiectivul de a genera atomi de antihidrogen și a măsura constanta gravitațională în câmpul gravitațional terestru. Atomii de antihidrogen sunt produși în urmă interacțiunii unor atomi formați dintr-un electron și un pozitron (pozitroniu) cu un nor de antiprotoni. La rândul lor pozitronii reprezintă un sistem extrem de interesant de studiat. Pentru a-i studia cercetătorii trebuie să îi „răcească” adică să încetinească mișcarea acestora să aibă timp să îi studieze (explicație simplificată). Răcirea atomilor de pozitroniu se face cu fascicule laser; fotonii laserelor sunt absorbiți de către atomii exotici, energia acestora micșorându-se din ce în ce mai mult.

Răcirea cu lasere și noi posibilități

Cercetătorii colaborării AEgIS studiază mai multe proceduri pentru răcirea pozitroniului cu lasere; în urmă acestor studii au ajuns la concluzia – rezultatele fiind publicare într-un articol în revista Physical Review Letters – că ar putea genera un așa-numit condensat Bose-Einstein de atomi de pozitroniu; adică un sistem în care toți acești atomi sunt în aceeași stare cuantică. În aceste condiții condensatul Bose-Einstein ar putea emite raze gama în mod coerent în urma anihilării electronilor cu pozitronii – un fel de laser de raze gama.

Laser gama și antimateria

Razele gama care ar fi emise de condensatul Bose-Einstein de atomi de pozitroniu ar fi extrem de interesant de studiat și de folosit pentru aplicații precum cele în fizica nucleară, unde studiul proprietăților nucleelor necesită tocmai o radiație gama. Studiul antimateriei rămâne unul dintre cele mai fascinante și importante subiecte în fizica modernă; trebuie să înțelegem încă de ce a dispărut antimateria din Univers imediat după Big Bang dar și proprietățile antimateriei în comparație cu cele ale materiei, ceea ce ne-ar putea îndruma spre o nouă fizică. În plus, antimateria poate fi folosită – cum am arătat în acest articol – pentru aplicații extrem de interesante, precum un fel de laser de raze gama.

sursa: journals.aps.org

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro