Ultrazimne atomy symulują powstawanie par materia–antymateria

Fizycy z Chin odtworzyli w laboratorium model, w którym ultrazimne atomy rubidu naśladują powstawanie par cząstka–antycząstka w silnym polu elektrycznym. Samo zjawisko jest przewidziane przez teorię, ale w praktyce prawie nie da się go zaobserwować wprost, dlatego symulacja daje badaczom nowe narzędzie.

Na czym polega efekt Schwingera

Według elektrodynamiki kwantowej, czyli teorii opisującej oddziaływania światła z naładowanymi cząstkami, dostatecznie silne pole elektryczne może zamienić część swojej energii w cząstki i ich antymaterialne odpowiedniki. Antycząstka ma tę samą masę co cząstka, a jeśli jest naładowana, ładunek przeciwny. Powstawanie takich par z próżni pod wpływem pola nazywa się efektem Schwingera.

Kłopot w tym, że przy polach elektrycznych możliwych do wytworzenia w laboratorium proces ten jest silnie tłumiony. Bezpośrednia obserwacja pozostaje więc wyzwaniem. Zespół z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin oraz innych instytucji wybrał inną drogę: zamiast czekać na prawdziwe pary, zbudował układ, który je symuluje. Opis eksperymentu ukazał się w czasopiśmie Physical Review Letters.

Jak wygląda ten eksperyment

Badacze uwięzili ultrazimne atomy rubidu w sieci optycznej, czyli wzorze utworzonym ze światła laserowego, który działa jak rząd drobnych pułapek. Atomy ustawiono w jednowymiarowy łańcuch: w co drugiej pułapce znajdowały się dwa atomy, a pozostałe były puste. Taki układ odpowiada tak zwanej fałszywej próżni, stanowi, który może oddać energię, tworząc parę cząstka–antycząstka.

Następnie zmieniono ustawienia tak, by atomy mogły przeskakiwać między sąsiednimi miejscami w sposób odwzorowujący powstawanie par. Tło pola elektrycznego było regulowane, a mikroskop kwantowy rejestrował położenie atomów w kolejnych chwilach. Jak podkreśla Zhen-Sheng Yuan, współkierujący pracą, celem było stworzenie „prostego, kontrolowanego modelu laboratoryjnego”, w którym można śledzić i dostrajać cały proces.

Najważniejsze obserwacje:

• gdy symulowane cząstki były cięższe, powstawało mniej par;
• gdy pole elektryczne zaczynało zbyt mocno dominować nad pozostałymi oddziaływaniami w modelu, par także ubywało;
• liczbę par powiązano z amplitudą trwałości próżni, której kwadrat modułu mówi, z jakim prawdopodobieństwem początkowa próżnia przetrwa; w pewnym granicznym przypadku zauważono długotrwałe oscylacje;
• przy zerowej masie symulowanych cząstek pojawiły się oscylacje przypominające zbiorowe wzbudzenia przewidziane w modelu Schwingera.

Co to znaczy w praktyce

Warto doprecyzować: w laboratorium nie powstała prawdziwa antymateria. Atomy rubidu pełnią rolę modelu, który zachowuje się zgodnie z równaniami opisującymi to zjawisko. To podejście, nazywane symulacją kwantową, pozwala badać procesy, do których nie ma dostępu w bezpośrednim eksperymencie. Nie ma tu mowy o zastosowaniu, które zmieni codzienne życie w najbliższych latach. To badania podstawowe, które pomagają sprawdzać, jak działają teorie opisujące świat cząstek.

Polski czytelnik nie odczuje tego wprost, ale takie prace wpisują się w szerszy nurt rozwoju technologii kwantowych, w który zaangażowane są także ośrodki europejskie. Techniki chłodzenia atomów i obrazowania ich w sieciach optycznych są wykorzystywane w wielu laboratoriach na świecie, a ich dopracowanie bywa podstawą dla przyszłych komputerów i czujników kwantowych.

Plany na kolejne etapy

Zespół chce teraz sprawdzić, co dzieje się, gdy symulowane cząstki spotykają się, zderzają i rozpraszają. Badacze zamierzają też rozszerzyć eksperyment z jednowymiarowego łańcucha na dwa wymiary oraz na inne teorie cechowania. Mogłoby to otworzyć dostęp do bogatszych zjawisk, takich jak tak zwane zrywanie strun.

Źródło: Phys.org – „Ultracold atoms simulate hard-to-observe matter-antimatter pair production”