Polacy otwierają drogę do nowej fizyki. Antymateria bliżej poznania

Antymateria to zagadkowa forma materii, która ma przeciwne właściwości do zwykłej materii. Na przykład antyelektron - zwany pozytonem - ma dodatni ładunek elektryczny, a antyproton ma ujemny. Gdy antycząstka spotyka się z cząstką, obie ulegają anihilacji, czyli zamianie na energię promieniowania. Antymateria jest bardzo trudna do wytworzenia i przechowywania, dlatego stanowi wyzwanie dla naukowców, którzy chcą ją badać.

Jednym z celów badań nad antymaterią jest sprawdzenie, czy zachowuje się ona tak samo jak zwykła materia w polu grawitacyjnym. Innymi słowy, czy antymateria spada w dół, czy w górę? Aby to zbadać, potrzebny jest atom antywodoru, czyli pozyton krążący wokół antyprotonu. Taki atom jest jednak bardzo nietrwały i rozpada się w ułamku sekundy.

Więcej osiągnięciach polskiej nauki przeczytasz na Spider`s Web:

W ramach projektu AEgIS zespół naukowców zdołał schłodzić próbkę pozytonium światłem laserowym i otworzyć tym samym drogę do nowych badań nad antymaterią. Eksperyment został opisany w artykule opublikowanym w Physical Review Letters.

Celem eksperymentu AEgIS jest bardzo dokładne zmierzenie przyspieszenia, z jakim neutralny atom antywodoru spada w polu grawitacyjnym Ziemi, a także sprawdzenie tzw. słabej zasady równoważności (swobodny spadek dowolnego ciała zupełnie nie zależy od jego masy, składu, ani struktury wewnętrznej) dla obiektów zbudowanych z antymaterii.

Co więcej, badania zespołu mogą umożliwić prowadzenie wysoce precyzyjnych pomiarów układów materia-antymateria, które z kolei mają potencjał odkrycia zasad nowej fizyki.

Jak opisuje Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN w komunikacie dotyczącym publikacji, aby stworzyć antywodór, czyli pozyton krążący wokół antyprotonu, AEgIS kieruje wiązkę antyprotonów wyprodukowanych i spowolnionych w tzw. fabryce antymaterii w kierunku chmury pozytonowej, czyli elektronu krążącego wokół pozytonu. Chmura jest wytwarzana poprzez umieszczenie pozytonów w nanoporowatej krzemionce – około jeden na trzy pozytony tworzy pozytonium. Gdy antyproton i pozyton spotykają się w chmurze pozytonium, oddaje ona swój pozyton antyprotonowi, tworząc antywodór.

Taki sposób tworzenia antywodoru oznacza, że naukowcy mogą również badać pozytonium, czyli cały układ antymaterii. Problemem jest jednak jego bardzo krótki czas trwania, rozpada się bowiem na kwanty gamma w ciągu - uwaga! - 142 miliardowych części sekundy. Mimo tej wady, jego prosta budowa sprawia, że jest szalenie atrakcyjny badawczo, pozwala bowiem na poszukiwania nowych zjawisk fizycznych z większą precyzją. To wymaga jednak ekstremalnego chłodzenia próbki pozytonium.

Sukces autorów badania polega na zmniejszeniu temperatury takiej próbki z 380 do 170 stopni w skali Kelvina. Do tego celu badacze użyli nietypowego, bo szerokopasmowego lasera, który jest w stanie schłodzić większą część próbki.

Naukowcy z AEgIS mają nadzieję, że dzięki chłodzeniu pozytonium będą mogli wyprodukować wystarczającą ilość antywodoru, aby przeprowadzić eksperyment polegający na pomiarze jego przyspieszenia w polu grawitacyjnym Ziemi. Jeśli okaże się, że antywodór spada inaczej niż wodór, będzie to oznaczało, że antymateria łamie tzw. słabą zasadę równoważności, która mówi, że wszystkie ciała spadają z takim samym przyspieszeniem, niezależnie od ich masy i składu.

Zespół z Politechniki Warszawskiej przyczynił się do modernizacji systemu sterowania eksperymentem, wprowadzając otwarte oprogramowanie Sinara/ARTIQ i rozwiązanie oparte na otwartym sprzęcie zamiast elektroniki robionej na zamówienie.

Zespół AEgIS Politechniki Warszawskiej tworzą specjaliści z Wydziału Fizyki, Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Wydziału Elektrycznego oraz siedmioro studentów. Pracami grupy kieruje prof. Kornakov, który obecnie jest także koordynatorem programu atomów antyprotonowych w eksperymencie AEgIS.

Główna ilustracja: Część aparatury AEgIS Fot. CERN / Maximilien Brice