Ένας λεπτός γρίφος για το ποζιτρόνιουμ

Posted on 12/08/2020

0


Μια μέτρηση υψηλής ακρίβειας για την λεπτή υφή του ατόμου ποζιτρόνιουμ αποκαλύπτει μια προβληματική ασυμφωνία με τις προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED)

To ποζιτρόνιουμ είναι ένα άτομο που μοιάζει με το άτομο του υδρογόνου. Αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο.

Το ποζιτρόνιο ή αντι-ηλεκτρόνιο είναι σωματίδιο αντιύλης, με μάζα ίση με την μάζα του ηλεκτρονίου, αλλά θετικό ηλεκτρικό φορτίο και ίσο κατ’ απόλυτη τιμή με το φορτίο του ηλεκτρονίου. Δεδομένου ότι το ποζιτρόνιουμ δεν περιέχει πρωτόνια ή νετρόνια, δεν συμμετέχει σε πυρηνικές αλληλεπιδράσεις και μπορεί να περιγραφεί με ακρίβεια μόνο με την κβαντική ηλεκτροδυναμική – το κβαντικό αντίστοιχο του κλασικού ηλεκτρομαγνητισμού.

Επομένως, το ποζιτρόνιουμ είναι το ιδανικό σύστημα για να δοκιμαστεί η QED και να προσδιοριστούν πιθανές αποκλίσεις που θα έκλιναν το μάτι για νέα φυσική, πέραν του καθιερωμένου προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων. Με αυτό τον σκοπό ο David Cassidy και οι συνεργάτες του μελέτησαν την «λεπτή δομή» του ποζιτρόνιουμ με πρωτοφανή ακρίβεια, αποκαλύπτοντας διαφορές με τις προβλέψεις της QED.

Η λεπτή δομή ενός ατόμου αναφέρεται στον διαχωρισμό των ενεργειακών του σταθμών που οφείλονται στα σπιν των ηλεκτρονίων και σχετικιστικά φαινόμενα. Oι ακριβείς μετρήσεις της λεπτής υφής για το ποζιτρόνιουμ είναι δύσκολες, αφού είναι ένα ασταθές σύστημα που διασπάται μέσα σε χρονικό διάστημα εκατοντάδων νανοδευτερολέπτων, από την στιγμή της δημιουργίας του.

Ο Cassidy και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν λέιζερ για την δημιουργία του ποζιτρόνιουμ σε μια συγκεκριμένη κατάσταση, της οποίας ο χρόνος ζωής ήταν ο μεγαλύτερος. Ψύχοντας τα άτομα έτσι ώστε να ελαχιστοποιήσουν το φαινόμενο Doppler που διευρύνει τις φασματικές γραμμές, μέτρησαν τις μεταβάσεις χρησιμοποιώντας χαμηλής ισχύος μικροκυματική ακτινοβολία που δεν μεταβάλλει σημαντικά τις ατομικές ενεργειακές στάθμες.

Παρατηρήθηκε ότι συχνότητα μιας συγκεκριμένης μετάβασης είναι περίπου ένα τοις χιλίοις μεγαλύτερη από αυτή που προβλέπει η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED) – μια διαφορά που υπερβαίνει σημαντικά τα σφάλματα των μετρήσεων.
Με επιπλέον βελτιώσεις των μετρήσεων αυτής της μετάβασης και την επανάληψη του πειράματος από άλλες πειραματικές ομάδες, οι φυσικοί ελπίζουν να εξηγήσουν αυτήν την απόκλιση και να εκτιμήσουν αν όντως πρόκειται για την κερκόπορτα που οδηγεί σε νέα φυσική.

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v13/s99