Ultra soğuk atomlar gözlemlenmesi zor madde-antimadde çifti üretimini simüle ediyor

Işık ve elektrik yüklü parçacıklar arasındaki etkileşimi açıklayan teori olan kuantum elektrodinamiğine göre, yeterince güçlü bir elektrik alanı, prensip olarak enerjisinin bir kısmını parçacıklara ve onların antimadde ortaklarına dönüştürebilir. Bir parçacığın antimadde ortağı aynı kütleye sahiptir ve elektrik yüklü parçacıklar için zıt elektrik yüküne sahiptir.

Bir elektrik alanı aracılığıyla ve vakumdan parçacık-antiparçacık çiftlerinin yaratılması Schwinger etkisi olarak bilinir. Bu çiftlerin üretimi, laboratuvar ortamında gerçekleştirilebilecek elektrik alan kuvvetlerinde güçlü bir şekilde baskılandığından, bu etkiyi deneysel olarak gözlemlemek şu ana kadar zor olmuştur.

Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve diğer kurumlardaki araştırmacılar, bu nadir parçacık üretim sürecini simüle etmek ve incelemek için kullanılabilecek bir deney başlattılar. Yayınlanan bir makalede özetlenen deneyleri Fiziksel İnceleme Mektuplarıatomları yakalayabilen lazer ışığına dayalı bir model olan optik bir kafes içinde hapsolmuş ultra soğuk rubidyum atomlarının düzenlenmesi ve hareketi yoluyla parçacıkların ve elektrik alanlarının temsil edilmesini gerektirir.

“Güçlü bir elektrik alanının boşluktan kendiliğinden elektron-pozitron çiftleri yaratabileceği öngörüsü olan Schwinger etkisinden ilham aldık.” Makalenin eş-kıdemli yazarı Zhen-Sheng Yuan, CEİD’a şunları söyledi:

“Bu ‘sahte vakum bozunumunun’ bir örneğidir ve orijinal haliyle hiçbir zaman doğrudan gözlemlenmemiştir. Amacımız, bu süreci simüle edebileceğimiz ve nasıl gelişeceğini ayarlayabileceğimiz, soğuk atomlarla basit, kontrol edilebilir bir laboratuvar modeli oluşturmaktı.”

Parçacık üretimini yeniden yaratan soğuk atom deneyi

Yuan ve meslektaşları, deneylerinde ultra soğuk rubidyum atomlarını düz bir sıra halinde küçük optik tuzaklardan oluşan tek boyutlu bir zincirde yakalamak için lazer ışığı kullandılar. Bu zincirdeki her ikinci tuzakta iki atom bulunurken aradaki tuzaklar boştu.

“Bu düzenleme, parçacık-antiparçacık çiftleri yaratarak enerjiyi serbest bırakabilen bir durum olan ‘sahte vakum’dur.” Yuan’ı açıkladı. “Daha sonra, atomların komşu bölgeler arasında çift oluşumunu taklit edecek şekilde atlayabilmesi ve süreci kontrol etmek için arka plan elektrik alanını ayarlayabilmesi için ayarları değiştirdik. Bir kuantum gaz mikroskobu, atomları farklı zamanlarda görüntüleyerek, bunun gerçekleşmesini izlememize olanak sağladı.”

Araştırmacılar, bu değişikliklerin parçacık-antiparçacık çiftlerinin üretimini nasıl etkilediğini belirlemek için sistemlerinde simüle edilmiş parçacıkların kütlesini ve arka plan elektrik alanını değiştirdiler. Simüle edilen parçacıklar daha ağır olduğunda veya elektrik alanı modellerindeki diğer etkileşimlere göre çok baskın hale geldiğinde daha az çift oluştuğunu buldular.

“Ayrıca çift üretimini doğrudan ‘vakum kalıcılık genliğine’ (bunun karesi büyüklüğü, başlangıçtaki boşluğun hayatta kalma olasılığını verir) bağladık ve bazı fiziksel limitlerde uzun ömürlü salınımlar gördük,” dedi Yuan. “Bunlar hep birlikte, soğuk atomların normalde gözlemlenmesi zor olan kuantum alan süreçlerini kontrollü bir laboratuvara nasıl getirdiğini gösteriyor.”

Gelecekteki araştırmaları parçacık yaratma konusunda bilgilendirmek

Bu çalışma, parçacık-antiparçacık çiftlerinin üretimini simüle etmek ve incelemek için yeni bir deneysel platform sunmaktadır. Simüle edilen parçacık kütlesi sıfıra ayarlandığında araştırmacılar, Schwinger modelinin öngördüğü kolektif uyarılmalara benzeyen salınımlar gözlemlediler.

Gelecekte, ekibin önerdiği deney, deneysel bir ortamda doğrudan gözlemlenmesi son derece zor olan parçacık-antiparçacık üretim süreçlerini araştırmak için kullanılabilir. Yuan ve meslektaşları şimdi, nadir görülen fiziksel olayları incelemek için deneye dayanacak daha fazla çalışma planlıyorlar.

“Şimdi bu simüle edilmiş parçacıklar karşılaştığında, çarpıştığında ve dağıldığında ne olacağını incelemek istiyoruz.” Yuan’ı ekledi. “Ayrıca deneyi tek boyutlu bir zincirden iki boyuta ve sicimin kırılması gibi daha zengin olguların erişilebilir hale geldiği diğer ayar teorilerine kadar genişletmeyi umuyoruz.”