Большинство атомов состоят из положительно заряженных протонов, нейтральных нейтронов и отрицательно заряженных электронов. Позитроний — это экзотический атом, состоящий из одного отрицательного электрона и положительно заряженного позитрона, частицы антиматерии. Этот атом очень недолговечен, но учёные, включая исследователей из Токийского университета, успешно охладили и замедлили позитроний с помощью точно настроенных лазеров. Они надеются, что это достижение позволит изучать экзотические формы материи и раскрыть тайны антиматерии.
Непостижимая часть вселенной
В последние десятилетия учёные часто говорят о том, что во Вселенной не хватает значительной части материи. Почти всё, что мы видим, состоит из обычной материи, включая нас самих и планету, на которой мы живём. Однако давно известно об антиматерии, которая имеет ту же массу и свойства, что и обычная материя, но противоположный заряд. При столкновении частиц материи и антиматерии происходит их аннигиляция. Считается, что они были созданы в равных количествах при зарождении Вселенной, но сейчас антиматерии практически не осталось.
«Современная физика объясняет только часть энергии Вселенной. Изучение антиматерии может помочь заполнить этот пробел, и наше недавнее исследование стало большим шагом в этом направлении», — рассказал доцент Косукэ Ёшиока из Центра фотонной науки. «Мы успешно замедлили и охладили экзотические атомы позитрония, которые на 50% состоят из антиматерии. Это впервые позволяет изучать их так, как раньше было невозможно, включая глубокое исследование антиматерии».
Экзотический атом и его уникальность
Позитроний похож на водород, где вместо протона в ядре находится позитрон, антиматериальный аналог электрона. Получается электрически нейтральный, но необычный атом без массивного ядра, где электрон и позитрон вращаются вокруг общего центра масс. Это делает позитроний идеальным объектом для точных физических и математических расчётов, так как он состоит всего из двух элементарных частиц.
«Для учёных, занимающихся прецизионной спектроскопией, возможность изучать охлаждённый позитроний открывает новые горизонты для сравнения его свойств с теоретическими расчётами», — отметил Ёшиока. «Идея охлаждения позитрония обсуждалась уже около 30 лет, но только благодаря замечанию студента Кэндзи Шу, который сейчас работает ассистентом профессора в моей группе, мы решили попробовать и в конце концов добились успеха».
Технология охлаждения лазерами
Основная сложность заключалась в недолговечности позитрония — всего десять миллионных долей секунды — и его лёгкости. Невозможно охладить его, поместив на холодную поверхность, поэтому команда использовала лазеры. Вопреки распространённому мнению, лазеры могут не только нагревать, но и охлаждать, в зависимости от способа использования света. Слабый лазер с точной настройкой медленно воздействовал на атомы позитрония, замедляя их движение и тем самым охлаждая их. Повторение этого процесса за одну десятую миллионной секунды позволило охладить газ позитрония до температуры всего в 1 градус выше абсолютного нуля (-273 °C). До охлаждения температура газа составляла 600 К (327 °C).
«Наши компьютерные симуляции показывают, что температура позитрония может быть даже ниже, чем мы можем измерить в экспериментах, что свидетельствует об эффективности нашей уникальной охлаждающей лазерной системы», — отметил Ёшиока. «Если использовать лазеры во всех трёх измерениях, мы сможем ещё точнее измерить свойства позитрония. Это позволит изучить влияние гравитации на антиматерию. Если антиматерия взаимодействует с гравитацией иначе, чем обычная материя, это может помочь объяснить, почему часть Вселенной остаётся скрытой».
Вклад в будущее исследований антиматерии
Это исследование открывает путь к новым методам изучения экзотических атомов и даёт надежду на раскрытие фундаментальных свойств антиматерии. Продолжающиеся эксперименты позволят учёным глубже понять поведение антиматерии и её роль в эволюции Вселенной.