Бурхливе життя позитронів

0
3

Коли у науково-популярних книжках чи новинах пишуть про антиматерію, то неодмінно кажуть: як тільки антиречовину торкнеться звичайного речовини, тут же відбудеться анігіляція. Це звичайно все так, але тільки, як мені здається, зазвичай надто сильно підкреслюється «миттєвість» цього процесу. Виникає враження, що якщо позитрон, летів через вакуум, потрапить у якусь тверду мішень, то тут же — як тільки торкнеться самого першого електрона мішені! — він і проаннигилирует.

А насправді це зовсім не так. Потрапивши у речовину, позитрон може там прожити яскраве та насичене нетривіальними подіями життя. Вона вся, звичайно, вміститься в лічені десятки наносекунд, але для сучасної експериментальної фізики це огого який довгий проміжок часу. І за останні п’ять років фізики зуміли простежити за кількома етапами цієї бурхливої життя позитрона.

Освіта і розпад позитрония

Звичайно, потрапивши у речовину і будучи оточеним з усіх боків електронами, позитрон може тут же проаннигилировать. Але як ні дивно, що ймовірність цього не так вже й велика. А набагато ймовірніше, що позитрон просто буде раз за разом пружно стикатися з електронами речовини, поступово втрачаючи свою енергію, поки врешті-решт не термализуется. Потім він зачепить який-небудь електрон і об’єднається з ним в єдину пов’язану атомоподобную систему — позитроний, Ps.

Сам про себе позитроний, звичайно, нестабільний. Якщо його не чіпати, то електрон і позитрон самі собою проаннігіліруют — тобто позитроний розпадеться на два фотона (якщо це був пара-позитроний) або на три фотона (якщо це був орто-позитроний). Пара-позитроний і орто-позитроний відрізняються тим, як у електрона і позитрона спини орієнтовані відносно один одного. Здавалося б, така дрібниця, але з-за цих спінів сильно змінюється середній час життя позитрония. Пара-позитроний живе всього 0,125 нс, а орто-позитроний в тисячу разів більше, 142 нс.

Позитроний в речовині

А якщо тепер позитроний знаходиться не у вакуумі, а прямо в речовині, серед атомів і молекул — чи встигне він щось зробити за цю сотню наносекунд? Встигне, і немало!

По-перше, він встигне багато разів зіткнутися з атомами або електронами. Скажімо при швидкості 25 км/сек позитроний стикається з атомами з частотою сотню тисяч (!) раз за наносекунду. Зруйнувати позитроний зовсім не так просто — адже у нього теж є енергія зв’язку, як у електронів в атомах. Тому на масштабі наносекунди він буде вести себе просто як нейтральний атом незвичайного, надлегкого типу. Власне, в цій науці позитроний як правило і називають атомом, незважаючи на те, що у нього немає ядра. До речі, 25 км/сек — це як раз середньоквадратична теплова швидкість позитрония при кімнатній температурі.

По-друге, позитроний, дрейфуючи в речовині, може досить швидко вийти на поверхню і залипнути там — особливо, якщо мішенню є пористий кварц, з яким зазвичай проводять такі експерименти. Це майже як адсорбція на поверхні для звичайних атомів, тільки механізм злегка інший. Це цікавий процес, тому що з точки зору енергії йому невигідно ні відчепитися і полетіти у вакуум, ні залізти назад в речовину (хоча звичайно за рахунок теплових флуктуацій він все ж може зникнути). В результаті позитроний починає просто блукати по поверхні. А якщо поверхня — це маленька пора нанометрового розміру, то він виявляється спійманим в капілярі на досить тривалий час.

Наявність речовини поряд, звичайно, злегка (рази в два-три) скорочує життя орто-позитрония, але все одно у нього залишаються в запасі десятки наносекунд. Якщо наприклад в пористому кварці пори не ізольовані, а об’єднані наноканалами в загальну мережу, то «тепленький позитроний», повзаючи по поверхні, встигне обстежувати за тисячу пір. А оскільки позитрониев у таких експериментах утворюється багато і майже всі вони вилазять пори, то рано чи пізно вони натикаються один на одного і починають взаємодіяти. І серед іншого вони можуть утворювати справжні пов’язані стану — молекулярний позитроний, молекули Ps2.

І що далі?

А далі з позитронием, в атомарному або молекулярному вигляді, можна проводити цікаві експерименти. По-перше, можна вивчати спектроскопію збуджених станів позитрония. Буквально днями було вперше виміряно відміну енергії першого збудженого стану (2P) вільного позитрония і позитрония в капілярі. Завдяки цим вимірам був обчислений діаметр пір в пористому кварці (в тій роботі він виявився рівним приблизно 5 нм). Виходить, що за допомогою спектроскопії можна зручно вимірювати розміри пір в таких зразках (скажімо, вимірювати характерні розміри наноскопічних руйнувань при опроміненні матеріалів).

Але це така, зовсім ужиткова річ. А набагато цікавіше інша мета — створити бозе-конденсат з позитрониев. Для цього їх треба накопичити в порі в достатній кількості, і вони самі перейдуть у стан конденсату. Тут дуже корисно, що позитроний дуже легкий — він у тисячу разів легше атома водню і сотні тисяч легше атомів важких елементів. З-за цього квантові ефекти в хмарці з позитрониев виражені набагато сильніше, ніж у звичайному речовині, і тому очікується, що бозе-конденсація настане при температурах набагато вище, ніж для звичайних газів.

Це було б чудово само по собі, але тут є ще один поворот — з конденсату позитрониев можна зробити гамма-лазер. Один позитроний, проаннигилировав, породить фотони, які зможуть стимулювати анігіляцію в інших позитрониях. В результаті вийде лавиообразное народження гамма-квантів в одному і тому ж стані — тобто сверхкороткая спалах когерентного гамма-випромінювання. Це поки залишається мрією, але начебто цілком здійсненною. Якщо це буде реалізовано, з’явиться новий інструмент дослідження відразу для декількох областей прикладної фізики.

Нарешті, з точки зору фундаментальної фізики позитроний — виключно «чиста» система. Там немає адронів з їх складною і незрозумілою структурою, а отже, властивості позитрония можна обчислювати з високою точністю і порівнювати їх з даними. Є навіть пропозиції шукати появи порушення CP і CPT-симетрій і навіть так званої «дзеркальної матерії».

Останні п’ять років

Для ілюстрації того, як рухаються справи в цій галузі, ось невелика вибірка цікавих результатів за останні п’ять років.

  • 2005: Experiments with a High-Density Positronium Gas, опромінення пористого кварцу високоінтенсивними потоками поизтронов і перші непрямі натяки на утворення молекулярного позитрония.
  • 2006: Positron annihilation as a method to characterize porous materials, огляд про порозиметрию на основі анігіляції позитронів.
  • 2007: Physisorption of Positronium on Quartz Surfaces, теоретична стаття, яка описала успішно физисорбцию позитрония на кварці (замітка в Phys.Rev.Focus).
  • 2007: The production of molecular positronium і Interactions Between Positronium Atoms in Porous Silica, взаємодія між атомами позитрония з утворенням молекулярного позитрония; див. популярну статтю на «Елементах».
  • 2010: Positronium Cooling Emission and in Vacuum from Nanochannels at Cryogenic Temperature, дуже ефективне перетворення потоку позитронів в холодний газ позитрониев, які охолоджувалися за рахунок ударів об стінки наноканалов і вилетіли в вакуум.
  • 2010: Structural and Phase Changes in Amorphous Solid Water Films Revealed by Positron Beam Spectroscopy, гарний приклад прикладного використання позитронної спектроскопії: вивчення того, як виникають і затягуються нанопор в дуже тонкому шарі льоду при осадженні пари на поверхню.
  • 2010: Electron-Like Scattering of Positronium, несподіване експериментальне виявлення того, що позитроний розсіюється на багатьох атомах так само, як і один-єдиний електрон, що рухається з тією ж швидкістю. І це незважаючи на те, що позитроний нейтральний і має вдвічі більшу масу, ніж електрон. Виходить, що в цій ситуації розсіяння позитрона якимось чином захищене.
  • 2011: Cavity Induced Shift and Narrowing of the Positronium Lyman-α Transition (і напів-популярна стаття в журналі Physics), спектроскопічні зміни позитрония в порах.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here