Într-un articol recent publicat în revista Physical Review Letters, membrii proiectului științific de cercetare AEgIS de la CERN, care studiază proprietățile antimateriei, propun un nou tip de laser bazat pe anihilarea atomilor de antimaterie formați dintr-un electron și un pozitron (pozitroniu). Acest gen de laser ar putea fi folosit în studiul materiei nucleare.
Antimateria
Atomii sunt alcătuiți din nuclee în jurul se află 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 similare 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 forma 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 întâmplă cu antimateria într-un câmp gravitațional? Cade „în jos”, precum materia, sau „o ia în sus”, un fel de antigravitație? Și chiar dacă se comportă precum materia normală, este constanta gravitațională aceeași?
Mai mult: legile de simetrie care sunt valabile pentru materie, sunt aceleași și pentru antimaterie? Știm 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 o producem la acceleratoare.
Experimentul AEgIS de la CERN
Unul dintre experimentele care produc și studiază antimaterie la CERN (la fabrica de antimaterie, nu la marele accelerator LHC) este AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) care are obiectivul de a genera atomi de antihidrogen și de a măsura constanta gravitațională în câmpul gravitațional terestru.
Atomii de antihidrogen sunt produși în urma interacțiunii unor atomi formați dintr-un electron și un pozitron (pozitroniul este un sistem de particule – sau atom exotic – instabil) cu un nor de antiprotoni.
La rândul lor, pozitronii reprezintă un sistem extrem de interesant de studiat. Pentru acest lucru, cercetătorii trebuie să îi „răcească”, adică să le încetinească mișcarea ca să aibă timp să-i 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 urma acestor studii, ei au ajuns la concluzia 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 de ce a dispărut antimateria din Univers imediat după Big Bang, dar și proprietățile acesteia în comparație cu cele ale materiei, ceea ce ne-ar putea îndruma spre o nouă fizică. În plus, antimateria ar putea fi folosită – cum am arătat în acest articol – pentru aplicații extrem de interesante, precum un fel de laser de raze gama.
