Fizycy odkryli, że lasery o wysokiej intensywności mogą generować promieniowanie gamma – najbardziej energetyczne znane nam promieniowanie – w celu wytworzenia par elektron-pozyton. Ta obserwacja może pomóc nam zrozumieć środowisko otaczające jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie – gwiazdy neutronowe.
Czym jest antymateria?
Antymateria to “zaprzeczenie” widzialnej materii (koinomaterii). Składa się z antycząstek, czyli elementów składowych podobnych do standardowych cząstek elementarnych, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego i wszystkich liczb kwantowych.
Koinomateria i antymateria nie mogą istnieć w tym samym miejscu i czasie. W momencie kontaktu cząstki z antycząstką, dochodzi do anihilacji obu. Energia wywodząca się z masy spoczynkowej cząstek jest zamieniana na energię promieniowania elektromagnetycznego. W 2013 r. wykazano, że antymateria oddziałuje grawitacyjnie tam samo jak “zwykła” materia.
Antycząstki powstają naturalnie na Ziemi podczas wyładowań atmosferycznych, którym mogą towarzyszyć błyski gamma. Pozostałości po antycząstkach powstających podczas burz kilkukrotnie obserwował Kosmiczny Teleskop Fermiego.
Antycząstki można także wytwarzać w sposób sztuczny, np. podczas zderzeń cząstek elementarnych rozpędzonych w akceleratorach, np. Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Udało się już w ten sposób otrzymać m.in. antyprotony, antyneutrony czy antyelektrony (pozytony).
Jak obejść proces Breita-Wheelera?
Proces tworzenia pary cząstek materia-antymateria – elektronu i pozytonu – z fotonów nazywany jest procesem Breita-Wheelera. Prawdopodobieństwo zderzenia dwóch fotonów jest bowiem bardzo małe, chyba że mówimy o wysokoenergetycznych fotonach lub promieniowaniu gamma (i to w dużych ilościach).
Niestety, naukowcom nie udało się jeszcze zbudować lasera emitującego promieniowanie gamma, więc proces Breita-Wheelera jest na ten moment niemożliwy do osiągnięcia w laboratorium. Da się go jednak obejść, co postanowił zrobić zespół fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, pod kierownictwem Yutonga He.
Uczeni wykorzystali plastikowy blok, na którym wyrzeźbiono wzór krzyżujących się kanałów w skali mikrometrów. Po obu stronach bloku znajdują się silne lasery, które jednocześnie wystrzeliwują impuls w ten sam cel. Kiedy impulsy lasera przenikają przez próbkę, każdy z nich przyspiesza chmurę szybkich elektronów. Chmury te następnie zmierzają ku sobie, oddziałując z laserem propagującym w przeciwnym kierunku. Dochodzi do wysokoenergetycznego zderzenia.
Powstaje chmura fotonów gamma. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, fotony gamma powinny zderzać się ze sobą, by wytarzać pary elektron-pozyton. Powinno postać też potężne pole magnetyczne, które wyrzuciłyby silnie przyspieszone pozytony poza chmurę. W odległości 50 mikrometrów, przyspieszenie powinno zwiększyć energię cząstek do jednego gigaelektronowolta (GeV).
Wykorzystując nowoczesne superkomputery, amerykańscy naukowcy przeprowadzili symulację, która wykazała, że model powinien działać nawet przy użyciu laserów o mniejszej mocy.
Tajemnice gwiazd
Kolimacja wiązki pozytonów, czyli przetworzenie rozbieżnych wiązek promieniowania na wiązki równoległe, nie tylko umożliwiłaby lepsze wykrywanie cząstek, ale także wykazuje duże podobieństwo do strumieni cząstek wysyłanych przez pulsary. Naukowcy są przekonani, że procesy zachodzące w pobliżu tych gwiazd mogą generować obłoki promieniowania gamma.
Takie procesy prawdopodobnie zachodzą m.in. w magnetosferze pulsarów. Dzięki naszej nowej koncepcji, takie zjawiska mogłyby być symulowane w laboratorium, przynajmniej do pewnego stopnia, co pozwoliłoby nam potem lepiej je zrozumieć.Alexey Arefiev, fizyk z UC San Diego
Naukowcy mają nadzieję na przeprowadzenie eksperymentów w European XFEL, rentgenowskim laserze na swobodnych elektronach w synchrotronowym centrum badawczym DESY w Hamburgu. Jest to obecnie najbardziej zaawansowane źródło impulsowego, spójnego promieniowania w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. Część badań mogłaby również odbyć się w jednym z ośrodków Extreme Light Infrastructure (ELI), gdzie mogą być wytwarzane wiązki promieniowania gamma.