ატომების და იონების ლაზერული გაცივება მნიშვნელოვან როლს თამაშობს თანამედროვე ატომურ ფიზიკაში, რადგან ეს წარმოადგენს გაზების მილი-კელვინზე დაბალ ტემპერატურებამდე გაცივების ერთ-ერთ იშვიათ მეთოდს. ლაზერული გაცივების ყველაზე პოპულარული მეთოდია დოპლერის გაცივება, რომელიც ეყრდნობა იდეას, რომ ფოტონის შთანთქმის დროს ატომს გადაეცემა იმპულსი და თუ ამ დროს ატომი ფოტონის მიმართულებით მოძრაობს, მაშინ მისი კინეტიკური ენერგია მცირდება. ფოტონის შთანთქმა უფრო ეფექტურია თუ მისი ენერგია ატომის რეზონანსული გადასვლის ენერგიაზე ბევრად ნაკლებია.

ბოლო წლებში დოპლერის გაციებას მეთოდს მრავალგვარი გამოყენება ჰქონდა. კერძოდ, მისი საშუალებით შესწავლილი იქნა გადაგვარებული გაზები, კუბიტების ფორმირება, ატომური საათების შექმნა და ფუნდამენტური ფიზიკური კანონების მართებულობა. თუმცა აქამდე ვერ ხერხდებოდა ანტი-მატერიის, კერძოდ ანტი-წყალბადის (რომელიც შედგება ანტი-პროტონის და პოზიტრონისაგან) ლაზერული გაცივება.

ანტი-მატერია არის ნაწილაკების ფიზიკის ყველაზე წარმატებული კვანტურ-მექანიკური მოდელის წინასწარმეტყველება. მისი არსებობის დადასტურება მოხდა თითქმის საუკუნის წინ, პოზიტრონის, დადებითად დამუხტული ელექტრონის აღმოჩენის შედეგად. როდესაც მატერია და ანტი-მატერია ერთდება, ხდება ანიჰილაცია; გასაოცარი ეფექტი, როდესაც თავდაპირველი ნაწილაკები ქრება და წარმოიქმნება დიდი რაოდენობით ენერგია (გარდაქმნა ხდება აინშტაინის ფორმულის მიხედვით E = mc²). ანიჰილაციაზე დაკვირვება შეიძლება ლაბორატორიაში, ის ასევე გამოიყენება სამედიცინო დიაგნოსტიკურ ტექნიკაში, როგორიცაა პოზიტრონული ემისიური ტომოგრაფია. ამასთან, ანტიმატერია წარმოადგენს გამოცანას. დიდი აფეთქების შედეგად თანაბარი რაოდენობით ანტი-მატერია და მატერია უნდა წარმოიქმნილიყო, მაგრამ ეს სიმეტრია დღეს დარღვეულია, რადგან ანტი-მატერია, როგორც ჩანს, ფაქტობრივად არ არსებობს ხილულ სამყაროში (ყოველ შემთხვევაში ჯერ არ არის დაფიქსირებული).

ანტი-წყალბადის ლაზერული გაცივების სიძნელეების ძირითადი მიზეზია კომპლექსური ოპტიკური სისტემის შეთავსების სირთულე ანტი-მატერიის შექმნის ინფრასტრუქტურასთან. კიდევ ერთი პრობლემაა ანტი-ატომების სიმცირე, რაც გავლენას ახდენს სიგნალის სიძლიერეზე. გარდა ამისა, ანტი-წყალბადის გასაცივებლად საჭიროა 121,6 ნანომეტრი ტალღის სიგრძის გამოსხივება (ე. წ. ლაიმან-ალფა), რომელიც ვაკუუმის ულტრა-იისფერი სპექტრის არეშია და ჰაერის და ოპტიკური ელემენტების მიერ ძლიერად შთაინთქმება.

ჟურნალ Nature-ის 2021 წლის მარტის ნომერში გამოქვეყნებული სტატიის თანახმად ALPHA კოლაბორაციაში გაერთიანებულმა 8 ქვეყნის მეცნიერმა მოახერხეს ამ სირთულეების გადალახვა და შეძლეს ანტი-წყალბადის დოპლერის გაცივება. ანტი-წყალბადი მიიღეს მაგნიტურ ხაფანგში 10⁵ ანტი-პროტონის 3×10⁶ პოზიტრონთან შერევით. ერთი 4-წუთიანი ციკლის დროს წარმოიშვებოდა რამდენიმე ათეული ანტი-წყალბადის ატომი. პროცესი მეორდებოდა რამდენიმე საათის განმავლობაში, რის შედეგად მაგნიტურ ხაფანგში გროვდებოდა დაახლოებით 1000 ანტი-წყალბადის ატომი. შემდეგ ხდებოდა მიღებული გაზის ორმაგი სპინ-პოლარიზაცია (ანტი-პროტონებისთვის და პიზიტრონებისთვის) და მისი დასხივება 1S-2P გადასვლის რეზონანსზე ცოტა ნაკლები (გაცივება) და ცოტა მეტი (გათბობა) ლაიმან-ალფა ტალღის სიგრძის გამოსხივებით.

შრომის ერთ-ერთი ავტორის Niels Madsen-ის (სუონსის უნივერსიტეტი, დიდი ბრიტანეთი) თქმით, რომელიც პასუხისმგებელი იყო ექსპერიმენტულ გამოკვლევაზე: "შემდგომი სპექტროსკოპიული გამოკვლევები ანტი-წყალბადზე CERN-ის ლაბორატორიებში უნდა წარიმართოს (რომელიც ამჟამად გაჩერებულია). ხოლო მთავარი ამოცანაა გავიგოთ, ემთხვევა თუ არა ანტი-წყალბადის თვისებები ჩვეულებრივი წყალბადის თვისებებს, როგორც ამას სიმეტრია გვეუბნება, ხოლო ამ კვლევების შედეგები, შეიძლება გახდეს გასაღები ანტი-მატერიასთან დაკავშირებული პრობლემების გადაწყვეტის საქმეში. ”

რომ დაედასტურებინათ ანტი-ატომების გაცივება, მეცნიერებმა გაზომეს 1S-2S გადასვლების სპექტრი გაციებულ და გაუციებელ მდგომარეობებში. ამისთვის კამერაში შეჰყავდათ 2 შემხვედრი, 243,1 ნანო-მეტრი ტალღის სიგრძის ლაზერის სხივი, რომლის შემდეგ ხდებოდა ანიჰილაციის მახასიათებლების გაზომვა. ფიზიკოსები დააკვირდნენ სპექტრალური ხაზების შევიწროებას, რაც ადასტურებდა გაცივების ფაქტს.

ავტორები ელოდებიან, რომ მათი შედეგები გაუმჯობესდება თუ გაიზრდება ლაზერული სხივების სიხშირე და სიმძლავრე და ასევე მოხდება ლაზერის სიხშირის და მაგნიტური ველის კონფიგურაციის შეცვლა. გამოყენებული ტექნიკა საშუალებს მოგვცემს დეტალებში იქნას შესწავლილი ფუნდამენტალური ეფექტები ანტი-წყალბადისთვის, როგორებიცაა მაგალითად სპექტრის ნაზი სტრუქტურა და ლემბის წანაცვლება. ასევე შესაძლებელი იქნება CPT-სიმეტრიის შესაძლო დარღვევების გამოვლენა, რომლის აღმოჩენა ვერ მოხერხდა კოლაბორაციის ადრეულ ექსპერიმენტებში.

პროფესორმა Stefan Eriksson-მა (სუონსის უნივერსიტეტი, დიდი ბრიტანეთი), რომელიც პასუხისმგებელი იყო სპექტროსკოპიულ ლაზერებზე, თქვა: "ჩვენ შედეგს ანტი-წყალბადის კვლევები შემდეგ დონეზე გადაყავს, რადგან ლაზერული გაგრილების გაუმჯობესებული ტექნიკა საშუალებას გვაძლევს 15 ციფრის სიზუსტით შევადაროთ წყალბადის და ანტი-წყალბადის სპექტრები ერთმანეთს. ჩვენ უკვე ვაუმჯობესებთ ჩვენს ექსპერიმენტს, რომ გავუმკლავდეთ ახალ გამოწვევებს! "

წყარო:

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210331114744.htm