Puhastatud positroonium aitab ehitada gammakiirte lasereid ja toob termotuumaenergia sammukese lähemale.
Positroonium meenutab oma olemuselt vesinikku aatomit, ainult, et prootoni ja elektroni asemel tiirlevad teineteise ümber hoopis elektron ja positron. Kuna ühe osapoole näol on tegemist eksootilise aineosakesega, on süsteemi eluiga äärmiselt lühike. Kolm aastat tagasi õnnestus California ülikooli teadlastel luua täiesti uus aine – molekulaarne positroonium. Nüüd õnnestus neil esimest korda isoleerida polariseerinud spinniga positrooniumi aatomid.
David Cassidy ja Alan Mills. Foto: David Cassidy
Spinn on elektronide üks fundamentaalne omadus, mis näitab elektroni pöördemomenti ning polariseerunud spinniga aatomitel on kõikidel samasugune spinn. Selliselt polariseerunud positrooniumi aatomeid on vaja erilise aine vormi loomiseks, mida nimetatakse Bose-Einsteini kondensaadiks (BEC.) Eksootilise aine olemasolu ennustati juba 1924. aastal, mil eksperimentaalselt loodi see alles 1995. aastal.
“Meil õnnestus oma tulemus saavutada suurendades eksperimendis osalevate positrooniumi aatomite tihedust,” ütles David Cassidy, ajakirjas Physical Review Letters ilmunud artikli peaautor·: “sellisel tihedusel kusututavad positrooniumi aatomid teineteist pelgalt omavahelise vastastikmõju tõttu, ent tuleb välja, et mitte kõik aatomid ei annihileeru sellistel tingimustel.”
Cassidy selgitas, et leidub kahte tüüpi positrooniumi aatomeid·: up ja down-tüüpi. Eksperimendi käigus selgus, et ainult erinevat tüüpi positrooniumi aatomid kustutavad teineteist. Kahe sama tüüpi aatomiga ei juhtu aga midagi.
“Ütleme, et sul on 50·% up-aatomeid ja 50·% down-aatomeid ja sa surud nad kõik kokku. Toimub täielik annihileerumine ja kogu energia muutub gammakiirteks. Samas, kui sul on 66·% up-tüüpi positrooniumi ja 33·% down-tüüpi, siis ainult pool up-tüüpi (positrooniumist) hävineb,” selgitas Cassidy.
Selline nähtus on äärmiselt oluline, kuna BEC tüüpi aine loomiseks on vaja ainult ühte pidi polariseerunud aatomeid. Annihileerumisprotsessi käigus toimub positrooniumi iseeneslik puhastumine. Alles jäävad vaid ülekaalus olnud spinniga aatomid ning annihileerinud aatomite energia kantakse vastassuunaliste gammakvantidena minema. BEC olekus olevad aatomid seisavad peaaegu paigal, mis teeb nende uurimise tunduvalt kergemaks. Peaaegu staatiliste aineosakeste saamiseks on vaja need jahutada absoluutse nulli lähedaste temperatuurideni (-273,15 Celsiust.) Mitte-BEC aatomite liikumiskiirus on see vastu suhteliselt suur.
Ülisuure vaakumi tekitamiseks kasutatud vaakumpump. Foto: David Cassidy
“BEC olekus olevat aines saab uurida fundamentaalseid protsesse täiesti uue nurga alt,” väitis Allen Mills, artikli üks kaasautor·:”Bose’i kondensaadis olevaid aatomeid on kergem uurida, kuidas nad teatud tingimustel käituvad.” Samuti lisas Mills, et positrooniui aatomitel on tähtis roll gammakiirte laserite loomiseks, millel oleks palju sõjalisi -ning teaduslikke rakendusi. Näiteks tooksid gammakiirte laserid laserite abil toimuva termotuumareaktsiooni sammukese võrra lähemale.
“Positrooniumi kondensaadi tootmine aitaks meil mõista, miks universum koosneb pigem ainest kui antiainest või puhtast energiast,” ütles Cassidy. Lisaks võiks positrooniumi vastata küsimusele, kas antiaine ning tavalise aine vahel on gravitatsiooniline vastastikmõju. Praegusel hetkel ei tea mitte keegi kindlalt, kas antiaine kukub üles või alla.
Ajakirjas Physical Review Letters ilmunud artikli autorid on David Cassidy, Allen Mills ja Vincent Meligne. Uurimistööd toetas Rahvuslik teadusefond ja USA Õhuvägi.
Positrooniumi moodustumise ja annihileerumise animatsiooni vaata siit:
Allikas·:
University of California·: “New Research by UC Riverside Physicists Could Help Develop Gamma Ray Lasers and Produce Fusion Power.”
Lisaks·:
University of California·: “Molecules of Positronium Observed in the Laboratory for the First Time.”
PhysicsWorld·: “Bose-Einstein condensation.”