Cząstki antymaterii żyją bardzo krótko w obecnym wszechświecie. Aby zyskać nieco na czasie i móc przyjrzeć się tym ulotnym tworom nieco dokładniej i dłużej, zespół naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego zdołał schłodzić i spowolnić pozytonium za pomocą specjalnie dostrojonych laserów.
Pozytonium to dość nietypowy atom. O ile w zwykłym atomie mamy do czynienia z ujemnie naładowanym elektronem i jądrem składającym się z dodatnie naładowanego protonu i obojętnego neutronu, o tyle w pozytonium mamy do czynienia z ujemnym elektronem i dodatnim pozytonem, czyli odpowiednikiem elektronu w antymaterii. O ile w zwykłym atomie jądro jest znacznie masywniejsze od elektronu, o tyle w przypadku pozytonium elektron i pozyton mają taką samą masę, więc można tutaj mówić bardziej o układzie podwójnym składającym się z równomasowych cząstek.
Czytaj także: Wykryli antymaterię na pokładzie ISS! Naukowcy otworzyli nowy rozdział w fizyce
Autorzy najnowszego opracowania opublikowanego na łamach periodyku Nature wskazują, że schłodzenie i spowolnienie niezwykle egzotycznego atomu pozytonium pozwala po raz pierwszy w historii zbadać go w sposób, który dotychczas był niemożliwy. W ten sposób będziemy mogli w końcu rozszerzyć naszą wciąż ograniczoną wiedzę o antymaterii.
Warto tutaj zwrócić uwagę na jeszcze jeden istotny aspekt pozytonium. Od strony matematycznej i fizycznej atom pozytonium powinien być łatwiejszy do opisania od atomu wodoru. Pozytonium składa się z dwóch cząstek: elektronu i pozytonu o równych masach. Atom wodoru składa się teoretycznie też z protonu i elektronu, ale trzeba podkreślić, że proton to w rzeczywistości trzy kwarki, a więc interakcje między kwarkami i elektronem są już dużo trudniejsze do opisania. Tymczasem im prostszy układ mamy do zbadania, tym łatwiej wyniki obserwacji porównać z przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi jego właściwości.
Samo schłodzenie atomu pozytonium nie jest wcale takie łatwe. Jakby nie patrzeć, pozytonium istnieje zaledwie jedną dziesięciomilionową część sekundy, a na dodatek jest tak lekkie, że do jego schłodzenia nie można wykorzystać żadnej powierzchni czy substancji. Te dwa ograniczenia stawiają przed naukowcami bardzo duże ograniczenia. Jakby nie patrzeć, w tym niezwykle krótkim czasie, naukowcy muszą schłodzić pozytonium o blisko 600 kelwinów (gaz pozytonium ma 327 stopni Celsjusza).
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego postanowili wykorzystać do schładzania atomu wiązki laserowej o niskiej mocy, która delikatnie naciska na atom pozytonium w kierunku przeciwnym do jego ruchu tak, aby go spowolnić. Emitując impulsy laserowe w kierunku egzotycznego atomu, badaczom udało się schłodzić atom do 1 kelwina.
Jest to zdecydowanie ogromne osiągnięcie. Badacze wskazują, że możliwe jest, że udało się schłodzić atom pozytonium do temperatury niższej od tej, którą jesteśmy w stanie zmierzyć. Oznacza to, że istnieje szansa na skuteczne chłodzenie laserem także innych egzotycznych atomów.
Tak czy inaczej, przed naukowcami otworzyły się właśnie zupełnie nowe wrota. Jeżeli tę samą metodę naukowcy zastosują teraz w trzech wymiarach (opisywany eksperyment wykorzystywał laser tylko w jednym), właściwości pozytonu będzie można zbadać znacznie dokładniej. To z kolei daje nadzieję na to, że możliwe stanie się zbadanie wpływu grawitacji na cząstki antymaterii. Naukowcy przekonują, że gdyby udało się dowieść, iż antymateria zachowuje się inaczej pod wpływem grawitacji, udałoby się znaleźć przyczynę niedoboru antymaterii we wszechświecie, a to fundamentalnie zmieniłoby naszą wiedzę o otaczającym nas świecie.