Nauki ścisłe [2024-02-22]

Eksperyment z antymaterią

— Żaneta Kopczyńska

Międzynarodowa grupa badaczy, w tym naukowcy z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, są coraz bliżsi stworzenia unikatowego narzędzia pozwalającego wytwarzać, kontrolować i wykonywać pomiary antymaterii. O ich przełomowym eksperymencie donosi Physical Review Letters.

Badanie antymaterii zdecydowanie należy do najbardziej fascynujących zagadnień współczesnej fizyki. Trwający już od dobrych kilku dekad ogromny rozwój technik doświadczalnych z pogranicza fizyki atomowej i jądrowej pozwala obecnie nie tylko wytwarzać cząstki antymaterii, ale też w kontrolowany sposób gromadzić, przechowywać oraz wykorzystywać je jako niezwykle precyzyjne narzędzia badawcze.

Jednym z głównych pytań zajmujących fizyków, na które wciąż nie ma satysfakcjonującej odpowiedzi, jest to, czy współczesna teoria oddziaływań grawitacyjnych prawidłowo opisuje również świat antymaterii. Odpowiedzi na nie szuka międzynarodowa grupa badaczy, w skład której wchodzą naukowcy z Instytutu Fizyki i Krajowego Laboratorium FAMO na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. O duży krok do jej znalezienia przybliża ich eksperymentalny wyczyn, o którym przeczytać można w artykule "Positronium laser cooling via the 13S-23P transition with a broadband laser pulse" opublikowanym w najnowszym wydaniu prestiżowego czasopisma Physical Review Letters. Należy zaznaczyć, iż praca została doceniona i wyróżniona przez wydawcę poprzez wybranie jej jako editors' suggestion.

W fabryce antymaterii

Autorzy artykułu opisują w nim eksperyment, w którym po raz pierwszy schłodzono pozyton za pomocą światła laserowego. Osiągnięcie to toruje drogę dla zupełnie nowego zestawu badań antymaterii, w tym produkcji układu materia-antymateria, który emituje światło gamma podobne do laserowego.

Trzeba zaznaczyć, że wytworzenie takich egzotycznych stanów związanych materii i antymaterii jest zadaniem trudnym – wymaga dokładnego połączenia wiedzy i doświadczenia z różnych gałęzi nauki i wykorzystania unikalnej na skalę światową infrastruktury badawczej. Dlatego też eksperyment przeprowadzono w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), wytwarzającej i badającej atomy antywodoru. Zrobiono to w ramach jednego z głównych projektów prowadzonych w szwajcarskiej Fabryce Antymaterii – AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy), w którym biorą też udział polscy naukowcy. 1 września 2021 r. powołano do życia Konsorcjum Naukowe AEgIS-PL. W jego skład weszły Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk oraz Politechnika Warszawska. Z toruńskiej uczelni w pracach badawczych Konsorcjum biorą udział prof. dr hab. Roman Ciuryło, dr hab. inż. Łukasz Kłosowski, prof. UMK, dr hab. Mariusz Piwiński, prof. UMK, dr hab. Michał Zawada, prof. UMK oraz doktorant mgr inż. Adam Linek z Instytutu Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej. To również współautorzy wspomnianego artykułu w Physical Review Letters.

Podstawowym celem AEgIS jest bezpośrednie i bardzo dokładne zmierzenie przyspieszenia, z jakim spada neutralny atom antywodoru w polu grawitacyjnym Ziemi. Chodzi o sprawdzenie tzw. słabej zasady równoważności dla obiektów zbudowanych z antymaterii.

Słaba zasada równoważności to jeden z fundamentów teorii grawitacji, który od czasów Galileusza głosi, że swobodny spadek dowolnego ciała zupełnie nie zależy od jego masy, składu ani struktury wewnętrznej. I choć zasada ta była już wielokrotnie zweryfikowana doświadczalnie dla różnych ciał materialnych na wszystkich możliwych skalach przestrzennych, to wciąż nie była ona potwierdzona dla ciał zbudowanych z antymaterii – tłumaczą badacze. – Zaobserwowanie jakiegokolwiek odstępstwa od słabej zasady równoważności dla atomów antymaterii byłoby jasnym sygnałem, że fundamentalna symetria pomiędzy materią i antymaterią nie jest w przyrodzie respektowana i byłoby pierwszym krokiem do sformułowania innej, bardziej ogólnej teorii opisującej otaczający nas świat.

Doceniony eksperyment

Opisany w Physical Review Letters eksperyment polegał na – mówiąc w dużym uproszczeniu – wytworzeniu cząsteczki antywodoru (pozyton krążący wokół antyprotonu): wiązkę antyprotonów (wytworzonych i spowolnionych w Fabryce Antymaterii) skierowano w chmurę pozytronium (elektronu krążącego wokół pozytonu). Chmura pozytronium jest wytwarzana poprzez umieszczenie pozytonów w nanoporowatej krzemionce, z której około jeden na trzy pozytony wyłania się jako pozytronium. Gdy antyproton i pozyton spotykają się w chmurze pozytronium, ten oddaje swój pozyton antyprotonowi, tworząc antywodór.

Produkcja antywodoru w ten sposób oznacza, że AEgIS może również badać pozytronium, system antymaterii, który sam w sobie jest badany w eksperymentach prowadzonych na całym świecie.

Co ważne, pozytronium ma bardzo krótki czas życia i rozpada się na promienie gamma w ciągu 142 miliardowych części sekundy. Ponieważ składa się tylko z dwóch punktowych cząstek, elektronu i jego antymaterialnego odpowiednika, ten egzotyczny układ materia-antymateria może być opisany przez modele teoretyczne z większą precyzją niż atomowa antymateria, która zawiera cząstki złożone, takie jak antyproton – tłumaczą naukowcy. – Dlatego też pozytronium oferuje prostszy i bardziej precyzyjny sposób poszukiwania nowych zjawisk fizycznych, takich jak nieznane siły, które mogą wpływać na jego właściwości i zachowanie grawitacyjne.

Tego właśnie dokonał zespół AEgIS, w czym udział mieli toruńscy fizycy. Dzięki zastosowaniu techniki chłodzenia laserowego badaczom udało się obniżyć temperaturę próbki ponad dwukrotnie: 380 do 170 K.

Chłodzenie laserowe, które po raz pierwszy zastosowano do atomów antymaterii około trzy lata temu, działa poprzez spowalnianie atomów krok po kroku za pomocą fotonów laserowych w trakcie wielu cykli absorpcji i emisji fotonów. Zwykle odbywa się to przy użyciu lasera wąskopasmowego, który emituje światło o małym zakresie częstotliwości. Natomiast zespół AEgIS wykorzystał w swoich badaniach laser szerokopasmowy, który jest w stanie schłodzić zarówno niewielką, jak i dużą część składników próbki. Co więcej, badacze przeprowadzili eksperyment bez stosowania zewnętrznego pola elektrycznego lub magnetycznego, upraszczając konfigurację eksperymentalną i wydłużając czas życia pozytronium.

Przełomowy chłód

Laserowe chłodzenie pozytronium otwiera nowe możliwości badań nad antymaterią. Obejmują one wysoce precyzyjne pomiary właściwości i zachowania grawitacyjnego tego egzotycznego, ale prostego układu materia-antymateria, które mogą ujawnić nową fizykę oraz produkcję pozytronowego kondensatu Bosego-Einsteina, w którym wszystkie składniki zajmują ten sam stan kwantowy. Taki kondensat został zaproponowany jako kandydat do produkcji spójnego światła gamma – laseropodobnego światła składającego się z monochromatycznych fal o stałej różnicy faz między nimi.

Laser promieniowania gamma byłby niesamowitym narzędziem zarówno do badań podstawowych, jak i stosowanych – wyjaśnia Ruggero Caravita, rzecznik AEgIS. – Pozwoliłby badaczom zajrzeć do jądra atomowego.

Prace naukowców mogą doprowadzić do stworzenia unikatowego narzędzia pozwalającego wytwarzać, kontrolować i wykonywać pomiary antymaterii. W końcu zaś może doprowadzić do zmiany rozumienia podstawowych praw fizyki. Naukowcy będą musieli je całkowicie przeformułować, ale przekonają się, że są one jeszcze bardziej fundamentalne, niż dotąd uważali.