Badania oddziaływania antymaterii z materią
Pozytonium to stosunkowo mało znany atom o dużym potencjale. Nie ma on jądra i powstaje z połączenia ujemnie naładowanego elektronu z dodatnio naładowanym pozytonem, czyli antycząstką elektronu. Oznacza to, że pozytonium jest najprostszym antyatomem: atomem zawierającym antymaterię. Atomy pozytonium są niestabilne, co zresztą pomogło naukowcom w ich odkryciu. „Pozytonium utrzymuje się jedynie do momentu, aż elektron i pozyton unicestwią się nawzajem, zamieniając masę w czystą energię w postaci światła”, wyjaśnia Dermot Green, wykładowca matematyki stosowanej i fizyki teoretycznej na Queen's University Belfast. „Ten sygnał anihilacji – w postaci rozbłysków wykrywalnego światła – był dla nas wskazówką, że pozytonium w ogóle istnieje”. Dokładniejsze zbadanie oddziaływań między pozytonium a inną materią może przełożyć się na postępy w różnych dziedzinach, od astrofizyki po medycynę. „Na przykład w medycynie pozytony stanowią podstawę obrazowania metodą pozytonowej tomografii emisyjnej (PET)”, tłumaczy Green, który pełni rolę koordynatora projektu ANTI-ATOM. W projekcie ANTI-ATOM, finansowanym przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN), Green i jego współpracownicy wykorzystali połączenie teorii i obliczeń do opracowania teorii opisujących te złożone oddziaływania. „Nasza praca dostarcza podstawowych informacji na temat oddziaływań pozytonów z atomami i cząsteczkami, a także, szerzej, pozwala na opracowanie i dostarczenie punktów odniesienia na potrzeby innych teoretycznych i obliczeniowych podejść do kwantowego problemu wielu ciał”, dodaje Green.
Zbliżenie na wiązania pozyton-cząsteczka
„Badanie koncentrowało się na obliczeniu połączenia pozytonów z cząsteczkami”, mówi Green. Jak wyjaśnia, kiedy pozyton wiąże się z cząsteczką, przekazuje jej swoją energię, która może wprawić ją w drgania. Pozyton nie jest w stanie uciec, dopóki nie odzyska tej energii. Przez cały czas jest związany z wieloma elektronami w cząsteczce, więc nieuchronnie ulega anihilacji. „Pionierscy eksperymentatorzy w Kalifornii zaprojektowali pod kierunkiem wybitnego Clifforda Surko pułapkę pozytonową i wiązkę o regulowanej energii i wykorzystali ją do pomiaru tej zwiększonej szybkości anihilacji”, mówi Green.
Opracowywanie teorii oddziaływań
Opisywanie oddziaływań pozytonów z atomami i cząsteczkami jest bardzo trudnym zadaniem ze względu na silne kwantowe oddziaływania wielu ciał, które charakteryzują te układy. Z tego względu zespół sięgnął po wyrafinowane metody teoretyczne, które wywodzą się z kwantowej teorii pola, ale są przystosowane do niskoenergetycznych, skończonych układów. Metody te przełożono na nowoczesne kody komputerowe i uruchomiono obliczenia na klastrach superkomputerów. „Jeśli chodzi o obliczenia, bardzo skorzystaliśmy na współpracy z Charlesem Pattersonem w Trinity College w Dublinie”, stwierdza Green. „Zaadaptowaliśmy jego kod EXCITON, który pozwalał już na obliczenia wielociałowych układów elektron-materia, tak aby uwzględnić także pozytony”.
Pionierski opis pozytonów
Najważniejszym owocem projektu był pierwszy zgodny z eksperymentami opis ab initio wiązania pozytonów z cząsteczkami. Jego stworzenie pozostawało celem uczonych od dziesięcioleci. „Wyniki naszych prac okazały się w pełni zgodne z eksperymentami i dostarczyły fundamentalnych informacji, także na temat tego, jak można wzmocnić wiązanie pozytonów”, tłumaczy Green. Naukowcy planują teraz rozszerzyć swoje podejścia teoretyczne i obliczeniowe, wykorzystując je jako solidną podstawę do analizy nowych problemów, w tym większych cząsteczek, klastrów, cieczy i innych podstawowych procesów, takich jak rozpraszanie elektronów i pozytonów na atomach i cząsteczkach. „W pracach tych pomoże nam grant ERBN dla naukowców u progu samodzielności badawczej, który otrzymałem”, dodaje Green.
Słowa kluczowe
ANTI-ATOM, pozytonium, kwantowe, problem wielu ciał, cząsteczka, przyłączenie, teoria, oddziaływania, opis