Ερευνητές κατάφεραν να απομονώσουν ένα σωματίδιο αντιύλης για μήνες

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου Northwestern κατάφεραν να απομονώσουν ένα μοναδικό ποζιτρόνιο (σωματίδιο αντιύλης) για διάστημα πολλών μηνών μέσα σε μια ειδικά σχεδιασμένη κρυογονική παγίδα.
• Η διαδικασία απαίτησε την ακραία επιβράδυνση των σωματιδίων μέσω ενός κρυστάλλου βολφραμίου και τον αυστηρό περιορισμό τους σε θερμοκρασίες που αγγίζουν τους 300 millikelvins.
• Ο απώτερος σκοπός της πειραματικής διάταξης εστιάζει στην εξαιρετικά ακριβή μέτρηση της μαγνητικής ροπής του ποζιτρονίου, προκειμένου να ελεγχθεί η θεμελιώδης αρχή της συμμετρίας CPT απέναντι στο Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής.

Σύμφωνα με τις επικρατούσες θεωρίες της σύγχρονης κοσμολογίας και φυσικής, το Σύμπαν όπως το γνωρίζουμε και το παρατηρούμε καθημερινά κανονικά δεν θα έπρεπε να υφίσταται με την τρέχουσα μορφή του. Κάθε στοιχειώδες σωματίδιο της ύλης που απαρτίζει τα πάντα γύρω μας διαθέτει ένα αντίστοιχο σωματίδιο αντιύλης, και οποιαδήποτε επαφή μεταξύ τους οδηγεί αναπόφευκτα στην ακαριαία εξαΰλωση τους μέσω μιας διαδικασίας που παράγει απλώς μια απειροελάχιστη έκλαμψη ενέργειας. Κατά τη γέννηση του Σύμπαντος, η αρχέγονη έκρηξη όφειλε να δημιουργήσει απολύτως ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, γεγονός που καθιστά την τρέχουσα συντριπτική κυριαρχία της κανονικής ύλης ένα από τα μεγαλύτερα, άλυτα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης, του οποίου η εξιχνίαση καθυστερεί διαρκώς εξαιτίας της φυσικής τάσης των αντισωματιδίων να συγκρούονται άμεσα με οτιδήποτε βρεθεί στο διάβα τους.

Μια εξαιρετικά πολύπλοκη ερευνητική προσπάθεια φαινομενικά κατάφερε να δαμάσει έναν από τους πλέον απρόβλεπτους πρωταγωνιστές του μικρόκοσμου, το ποζιτρόνιο, δηλαδή το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου. Αξιοποιώντας μια υπεραγώγιμη κρυογονική παγίδα κενού, οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Northwestern των ΗΠΑ διατήρησαν επιτυχώς ένα και μόνο ποζιτρόνιο υπό πλήρη απομόνωση για αρκετούς μήνες, ανοίγοντας οριστικά τον δρόμο για τις πιο λεπτομερείς και αυστηρές δοκιμές που έχουν πραγματοποιηθεί ποτέ στον τομέα της σωματιδιακής φυσικής.

Πώς οι ερευνητές εγκλώβισαν το ποζιτρόνιο;

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ραδιενεργή πηγή ισοτόπου νατρίου που εξέπεμπε ποζιτρόνια, τα οποία στη συνέχεια επιβραδύνθηκαν περνώντας μέσα από έναν κρύσταλλο βολφραμίου. Το παραγόμενο σωματίδιο απομονώθηκε σε μια κρυογονική υπεραγώγιμη παγίδα Penning θερμοκρασίας 300 millikelvins, παραμένοντας απολύτως ασφαλές από οποιαδήποτε επαφή με εξωτερικά ηλεκτρόνια για διάστημα αρκετών μηνών.

Τα βασικά τεχνικά δεδομένα της διάταξης

• Ταχύτητα αρχικής εκπομπής: Τα ποζιτρόνια αποβάλλονται από τη ραδιενεργή πηγή νατρίου με ενέργεια που φτάνει τα 546 kiloelectronvolts, ποσό που μεταφράζεται περίπου στο 88% της ταχύτητας του φωτός.
• Θερμική απομόνωση: Ολόκληρο το σύστημα της παγίδας Penning ψύχεται σε επίπεδα μόλις 300 millikelvins πάνω από το απόλυτο μηδέν, ελαχιστοποιώντας πλήρως τις θερμικές διακυμάνσεις που θα αλλοίωναν τις μετρήσεις.
• Γεωμετρικός περιορισμός: Το άνοιγμα της παγίδας καταγράφεται στα 640 μικρόμετρα, δημιουργώντας ένα εξαιρετικά στενό σημείο διέλευσης όπου το ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει επιτυχώς το ποζιτρόνιο από το συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο.
• Έλεγχος κυκλοτρονικής κίνησης: Μέσω κατάλληλα συντονισμένων μικροκυμάτων, οι φυσικοί προκαλούν ελεγχόμενα κβαντικά άλματα στην κίνηση του ποζιτρονίου, μετρώντας τις ενεργειακές μεταβάσεις χωρίς να διαταράσσουν το κβαντικό σύστημα.

Το φυσικό περιβάλλον παράγει συνεχώς ποζιτρόνια με διάφορους τρόπους, από γιγαντιαίες κοσμικές εκρήξεις και βίαιες ενεργειακές αλληλεπιδράσεις έως την απλή ραδιενεργή αποσύνθεση όπου ένας ασταθής πυρήνας αποβάλλει ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Το πρόβλημα έγκειται αποκλειστικά στο γεγονός πως το φυσικό μας περιβάλλον είναι γεμάτο από ηλεκτρόνια που καραδοκούν να εξαφανίσουν οτιδήποτε φέρει αντίθετο φορτίο. Η αρχική προσπάθεια σύλληψης περιλαμβάνει το φρενάρισμα του ποζιτρονίου που κινείται με σχετικιστικές ταχύτητες, πράγμα που απαιτεί παραδόξως τη διέλευση του μέσα από ύλη και πιο συγκεκριμένα μέσα από έναν μονοκρύσταλλο βολφραμίου.

Κατά τη διέλευση, η συντριπτική πλειονότητα των ποζιτρονίων συγκρούεται με τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια του κρυστάλλου και καταστρέφεται ολοσχερώς. Ελάχιστα καταφέρνουν να επιβιώσουν και να αναδυθούν από την επιφάνεια του βολφραμίου σημαντικά επιβραδυνόμενα, όντας πλέον συνδεδεμένα, χωρίς όμως να εφάπτονται, με ένα ηλεκτρόνιο, δημιουργώντας έναν σχηματισμό που ονομάζεται ποζιτρόνιο. Σε αυτήν την εξαιρετικά διεγερμένη κβαντική κατάσταση, τα δύο σωματίδια διατηρούν μια απόσταση ασφαλείας που καθυστερεί την αναπόφευκτη εξαΰλωσή τους για λίγα πολύτιμα κλάσματα του δευτερολέπτου, δίνοντας τον απαραίτητο χρόνο ώστε ο σχηματισμός να εισέλθει στην παγίδα Penning.

Η συσκευή εκμεταλλεύεται μια πολύπλοκη διάταξη ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων προκειμένου να κρατήσει το φορτισμένο σωματίδιο αιωρούμενο στο απόλυτο κενό, αποτρέποντας οποιαδήποτε επαφή με τα φυσικά τοιχώματα του θαλάμου. Όταν το πεδίο αποσπάσει βίαια το ηλεκτρόνιο, μένει πίσω αποκλειστικά το ποζιτρόνιο. Στη συνέχεια, οι ερευνητές απλώς απομακρύνουν την πηγή ραδιενέργειας ώστε να αποφύγουν την επιπρόσθετη φόρτιση της παγίδας με ανεπιθύμητα σωματίδια και ξεκινούν τη διαδικασία ελέγχου της κυκλοτρονικής κίνησης του ποζιτρονίου ψύχοντας το στην κατώτατη κβαντική ενεργειακή του κατάσταση.

Η τεράστια προσπάθεια δεν στοχεύει απλώς στον εντυπωσιασμό ή στην επίδειξη τεχνολογικής υπεροχής στο πεδίο της κβαντικής μηχανικής, αλλά εξυπηρετεί άμεσα την αναζήτηση απαντήσεων γύρω από τη θεμελιώδη αρχή της συμμετρίας CPT (Charge, Parity, Time reversal). Σύμφωνα με αυτήν την αρχή, οι μετασχηματισμοί του φορτίου, της ομοτιμίας και της αναστροφής του χρόνου πρέπει να αφήνουν αμετάβλητους τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής, απαιτώντας να υπάρχουν απόλυτα συμμετρικές ιδιότητες ανάμεσα στα σωματίδια και στα αντίστοιχα αντισωματίδιά τους. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες, και η μαγνητική τους ροπή πρέπει υποχρεωτικά να έχει ακριβώς το ίδιο μέγεθος με αντίθετο πρόσημο.

Μέχρι σήμερα, η επιστημονική κοινότητα έχει μετρήσει με ασύλληπτη ακρίβεια τη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου, και πλέον ανοίγεται ο δρόμος για την πραγματοποίηση μιας ακριβώς αντίστοιχης μέτρησης στο ποζιτρόνιο που παραμένει εγκλωβισμένο στην κρυογονική παγίδα. Αν τα μεγέθη αποδειχθούν ολόιδια, η ανακάλυψη θα προσφέρει την πιο ισχυρή επιβεβαίωση που υπήρξε ποτέ για το Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής, εμβαθύνοντας ταυτόχρονα το μεγάλο παράδοξο της πλήρους απουσίας αντιύλης στο παρατηρήσιμο Σύμπαν, παρά το γεγονός ότι οι θεωρητικές προβλέψεις λειτουργούν με απόλυτη μαθηματική αρμονία.

Πηγή – Techgear

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

BUY & SELL IN CYPRUSwww.buyme.cy