Atomi ultrareci simulează producția de perechi particulă-antiparticulă, un fenomen greu de observat
Conform electrodinamicii cuantice, un câmp electric suficient de puternic poate, în principiu, să își transforme o parte din energie în particule și în partenerii lor de antimaterie. Crearea acestor perechi particulă-antiparticulă din vid, sub acțiunea unui câmp electric, este cunoscută drept efectul Schwinger. Deoarece producția de perechi este puternic suprimată la intensitățile câmpului electric care pot fi obținute în laborator, observarea experimentală a acestui efect a fost până acum dificilă.
Cercetători de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China și de la alte instituții au prezentat un experiment care ar putea fi folosit pentru a simula și studia acest proces rar de producție de particule. Experimentul, descris într-un articol publicat în Physical Review Letters, reprezintă particulele și câmpurile electrice prin aranjamentul și mișcarea atomilor ultrareci de rubidiu captați într-o rețea optică, un model bazat pe lumină laser care poate ține atomii pe loc.
„Am fost inspirați de efectul Schwinger, predicția că un câmp electric puternic poate crea spontan perechi electron-pozitron din vid”, a declarat Zhen-Sheng Yuan, coautor senior al lucrării. „Acesta este un exemplu de «dezintegrare a vidului fals», iar în forma sa originală nu a fost niciodată observat direct. Scopul nostru a fost să construim un model de laborator simplu și controlabil cu atomi reci, în care să putem simula acest proces și regla modul în care se desfășoară.”
Un lanț de atomi reci care reproduce producția de particule
În experimentele lor, Yuan și colegii săi au folosit lumină laser pentru a capta atomi ultrareci de rubidiu într-un lanț unidimensional, un șir drept de capcane optice minuscule. Fiecare a doua capcană de pe lanț conținea câte doi atomi, în timp ce capcanele intermediare erau goale.
„Acest aranjament este un «vid fals», o stare care poate elibera energie prin crearea de perechi particulă-antiparticulă”, a explicat Yuan. „Am modificat apoi setările astfel încât atomii să poată sări între situsuri vecine într-un mod care imită crearea de perechi, reglând câmpul electric de fundal pentru a controla procesul. Un microscop cu gaz cuantic a imaginat atomii la diferite momente, permițându-ne să urmărim desfășurarea fenomenului.”
Cercetătorii au variat masa particulelor simulate din sistemul lor și câmpul electric de fundal pentru a determina cum aceste modificări afectează producția de perechi particulă-antiparticulă. Au constatat că, atunci când particulele simulate erau mai grele sau când câmpul electric devenea prea dominant în raport cu alte interacțiuni din model, se formau mai puține perechi.
„Am legat, de asemenea, producția de perechi direct de «amplitudinea de persistență a vidului» — al cărei modul la pătrat dă probabilitatea ca vidul inițial să supraviețuiască — și am observat oscilații de lungă durată într-o anumită limită fizică”, a spus Yuan. „Împreună, acestea arată cum atomii reci aduc procese ale teoriei câmpului cuantic, altfel greu de observat, într-un cadru de laborator controlat.”
O platformă pentru viitoarele cercetări privind crearea de particule
Studiul introduce o nouă platformă experimentală pentru simularea și studierea producției de perechi particulă-antiparticulă. Când masa particulelor simulate a fost stabilită la zero, cercetătorii au observat oscilații care semănau cu excitațiile colective prezise de modelul Schwinger.
În viitor, experimentul propus de echipă ar putea fi folosit pentru a investiga procese de producție de particule și antiparticule care sunt extrem de dificil de observat direct în condiții experimentale. Yuan și colegii săi plănuiesc acum studii suplimentare care se vor baza pe acest experiment pentru a cerceta fenomene fizice rare.
„Ne-am dori acum să studiem ce se întâmplă când aceste particule simulate se întâlnesc, se ciocnesc și se împrăștie”, a adăugat Yuan. „Sperăm, de asemenea, să extindem experimentul de la un lanț unidimensional la două dimensiuni și la alte teorii de gauge, unde fenomene mai bogate, cum ar fi ruperea corzilor, devin accesibile.”
