Οι φυσικοί κάνουν νέα προσέγγιση στη μελέτη της αντιύλης στο εργαστήριο

Πηγή: Πανεπιστήμιο Καλιφόρνιας, Riverside, 31 Οκτωβρίου 2005

Τι συμβαίνει όταν δύο άτομα, που το κάθε ένα φτιάχνεται από ένα ηλεκτρόνιο και την αντίστοιχη αντιύλη ή ποζιτρόνιο, συγκρούονται το ένα με το άλλο; Φυσικοί στο Riverside (UCR) είναι σε θέση να δουν για πρώτη φορά στο εργαστήριο ότι αυτά τα άτομα, που καλούνται άτομα ποζιτρονίου και είναι ασταθή από τη φύση τους, γίνονται ακόμα ασταθέστερα μετά από τη σύγκρουση. Τα άτομα ποζιτρονίου φαίνονται να καταστρέφουν το ένα το άλλο, μετατρεπόμενα σε ακτινοβολία γάμμα, έναν ισχυρό τύπο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

"Η έρευνά μας δίνει επίσης τον πρώτο υπαινιγμό για την παρουσία διπλών μορίων ποζιτρονίων (positronium), που το κάθε ένα από τα οποία αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια και δύο ποζιτρόνια", λέει ο Allen Mills, καθηγητής της φυσικής και επικεφαλής του ερευνητικού προγράμματος. "Αυτό το είδος της ένωσης ύλης-αντιύλης δεν έχει σχηματιστεί ποτέ ή δεν έχει μελετηθεί ποτέ στο εργαστήριο μέχρι τώρα, και προετοιμάζει το έδαφος για έναν νέο τομέα μελέτης για τις ιδιότητές της νέας ένωσης."

Οι ερευνητές θα δημοσιεύσουν την εργασία τους τον προσεχή μήνα στο Physical Review Letters.

Κάθε σωματίδιο της ύλης έχει ένα αντίστοιχο "αντισωμάτιο". Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που περιβάλλουν τον πυρήνα κάθε ατόμου. Το ποζιτρόνιο από την άλλη είναι ένα αντισωμάτιο με την ίδια μάζα και ίδιο φορτίο με ένα ηλεκτρόνιο αλλά θετικά φορτισμένο. Όταν η ύλη, όπως ένα ηλεκτρόνιο, ενώνεται με ένα ίσο ποσό αντιύλης, όπως ένα ποζιτρόνιο, μετατρέπονται σε ενεργητικά σωματίδια ή ακτινοβολία.

Τα ποζιτρόνια είναι γενικά βραχύβια επειδή τείνουν να συνδυαστούν γρήγορα με τα ηλεκτρόνια. Αλλά, αν αποθηκεύσουμε ποζιτρόνια σε ένα "μαγνητικό μπουκάλι", οι φυσικοί είναι σε θέση να παρατείνουν τη ζωή των ποζιτρονίων και να συσσωρεύσουν εκατομμύρια από αυτά αμέσως.

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές στο UCR έλαβαν τα ποζιτρόνια από μια ραδιενεργό μορφή νατρίου. Άδειασαν δε τα ποζιτρόνια από μια μαγνητική φιάλη σε ένα μικρό σημείο - σε μια επιφάνεια στόχου που έγινε με ένα λεπτό κομμάτι πορώδους πυριτίου. Εκεί, τα ποζιτρόνια συνδυάστηκαν με τα ηλεκτρόνια και σχημάτισαν αυθόρμητα μια υψηλή συγκέντρωση ασταθών ατόμων ποζιτρονίου (positronium). Τα πρόσφατα διαμορφωμένα άτομα γρήγορα γέμισαν τους πόρους του στόχου, και άρχισαν να συγκρούονται το ένα με το άλλο, παράγοντας έτσι ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας γάμμα.

"Είναι η πρώτη φορά που παρατηρήσαμε μια συλλογή ατόμων ποζιτρονίων (positronium) να συγκρούονται το ένα με το άλλο", είπε ο Mills - επικεφαλής της έρευνας. "Ξέραμε ότι είχαμε μια πυκνή συλλογή αυτών των ατόμων επειδή, όντας τόσο κοντά το ένα στο άλλο, εξαφανίζονταν γρηγορότερα από όταν ήταν μόνα τους."

Η έρευνα προετοιμάζει το έδαφος για τα μελλοντικά πειράματα όπου θα χρησιμοποιήσουν ένα λέιζερ ατόμων positronium για την αναζήτηση φαινομένων αντι-βαρύτητας, που συνδέονται με την αντιύλη και θα μετρήσουν τις ιδιότητες του positronium με μια πολύ υψηλή ακρίβεια.

"Μέχρι τώρα, είχαμε μόνο μια πρόταση ότι τα διπλά μόρια positronium ήταν παρόντα στο πείραμά μας",  τονίζει ο Mills.. Το "επόμενο βήμα μας θα είναι να επιβεβαιώσουμε την ύπαρξή τους και να μετρήσουμε τις ιδιότητές τους."

Μια συνοπτική ιστορία της αντιύλης και του ποζιτρόνιουμ (positronium)

Η αντιύλη παρουσιάζει διανοητικό ενδιαφέρον για τους επιστήμονες επειδή αντιπροσωπεύει έναν κατοπτρικό κόσμο στον οποίο η βαρύτητα, παραδείγματος χάριν, μπορεί να λειτουργήσει προς την αντίθετη κατεύθυνση, με τα πράγματα να "πέφτουν πάνω"

Ο Paul Dirac πρόβλεψε ότι την αντιύλη το 1930, ενώ ο Carl Anderson ανακάλυψε το ποζιτρόνιο το 1932. Το 1946, ο John Wheeler πρόβλεψε μια σειρά συναθροίσεων ύλης-αντιύλης, την οποία κάλεσε polyelectrons. Εκτός από το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο, ο Wheeler πρόβλεψε την ύπαρξη του ποζιτρόνιουμ (positronium), του ιόντος ποζιτρόνιουμ και του διπλού μορίου ποζιτρόνιουμ. Το ποζιτρόνιουμ ανακαλύφθηκε τελικά το 1951 στα πειράματα του Martin Deutsch. Ο Allen Mills παρήγαγε ιόντα ποζιτρόνιουμ (δύο ηλεκτρόνια και ένα ποζιτρόνιο) το 1981 στα Εργαστήρια Bell.

Τα ποζιτρόνια ενδιαφέρουν τους φυσικούς πλάσματος, και επίσης χρησιμοποιούνται στη μελέτη της ηλεκτρονικής δομής των μετάλλων, για την ανίχνευση των ατελειών στα στερεά καθώς και για τη μέτρηση των ιδιοτήτων των επιφανειών.