… χρησιμοποιώντας ψυχρά άτομα σε οπτικό πλέγμα

Ο Julian Schwinger βραβεύθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1965 (μαζί με τους Sin-Itiro Tomonaga και Richard Feynman), «για το θεμελιώδες έργο του στην κβαντική ηλεκτροδυναμική, με βαθιές συνέπειες για την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων». Μια από τις εργασίες του Julian Schwinger που έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην βράβευσή του δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review το 1951 με τίτλο «On Gauge Invariance and Vacuum Polarization«.

Σε αυτή την δημοσίευση, ο Schwinger δείχνει πώς ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με το ίδιο το κβαντικό κενό. Αν και το φαινόμενο της αυθόρμητης δημιουργίας ύλης από το κενό παρουσία ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου είχε προβλεφθεί ποιοτικά νωρίτερα στη δεκαετία του 1930, ο Schwinger χρησιμοποιώντας τον μαθηματικό φορμαλισμό της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, έδωσε την πλήρη και ακριβή θεωρητική του περιγραφή. Στο επονομαζόμενο «φαινόμενο Schwinger», το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο «παραμορφώνει το κενό», καθιστώντας το ασταθές. Η δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου είναι κλασικά απαγορευμένη, αλλά μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγας ένα τέτοιο ζεύγος μπορεί να διαπεράσει το ενεργειακό φράγμα και να αναδυθεί στην ύπαρξη^(*).

Το φαινόμενο Schwinger αποτελεί παράδειγμα της «διάσπασης ψευδούς κενού» στην κβαντική θεωρία πεδίου. Εξαιτίας του ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου η κατάσταση του κενού χωρίς σωματίδια καθίσταται ασταθής και το σύστημα μεταπίπτει αυθόρμητα σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας με σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια είναι ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, ωστόσο η διάσπαση ψευδούς κενού μπορεί να εμπλέκει και άλλα σωματίδια και πεδία, με χαρακτηριστικό παράδειγμα το αρχέγονο σύμπαν.

Όμως, η άμεση εργαστηριακή διερεύνηση του φαινομένου Schwinger απαιτεί ηλεκτρικά πεδία έντασης της τάξης των 10¹⁶ V/cm, γεγονός που παραμένει εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί. Σε μια πρόσφατη δημοσίευσή τους με τίτλο «Probing false vacuum decay on a cold-atom gauge-theory quantum simulator«, οι φυσικοί Zi-Hang Zhu et al προσομοίωσαν την επίδραση ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου χρησιμοποιώντας ψυχρά άτομα σε ένα οπτικό πλέγμα. Τα άτομα συμπεριφέρονται ακριβώς όπως θα προέβλεπε η σωματιδιακή φυσική.

Οι ερευνητές παρατηρούν άτομα παγιδευμένα σε ένα οπτικό πλέγμα να μιμούνται σωματίδια που δημιουργούνται σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Στο πείραμά τους, ο Zhu και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν δέκα άτομα ρουβιδίου σε ένα μονοδιάστατο οπτικό πλέγμα. Ρύθμισαν την δυναμική ενέργεια του πλέγματος για να ελέγξουν τόσο το ενεργό ηλεκτρικό πεδίο όσο και την ενεργό μάζα των σωματιδίων που συζεύγνυνται με το πεδίο. Η κατάσταση του ψευδούς κενού αναπαραστάθηκε από μια συγκεκριμένη ατομική διάταξη με δύο άτομα σε εναλλάξ θέσεις του πλέγματος. Χρησιμοποιώντας μικροσκοπία κβαντικών αερίων, η ομάδα έδειξε ότι ένα άτομο από μια διπλά κατειλημμένη θέση μετακινείται τελικά σε μια γειτονική θέση. Η διάταξη απλής κατάληψης που προκύπτει αντιστοιχεί στη δημιουργία ζεύγους.

Ο Zhu και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ο ρυθμός παραγωγής ζευγών εξαρτιόταν από την ενεργό μάζα και το ενεργό πεδίο, όπως ακριβώς αναμένεται για τη διάσπαση του ψευδοκενού. Σε μελλοντικές εργασίες, οι ερευνητές σχεδιάζουν να επεκταθούν σε υψηλότερες διαστάσεις και να διερευνήσουν περαιτέρω προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας πεδίου.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Michael Schirber – Simulating Particle Creation with Cold Atoms – https://physics.aps.org/articles/v19/s131

(*) Εφόσον επιτρέπεται κβαντικά να γεννηθεί ύλη από το κενό, τότε ίσως επιτρέπεται να γεννηθεί και ο ίδιος ο χωροχρόνος, σκέφτηκε ο Alexander Vilenkin, και κατέληξε στην εργασία του με τον προκλητικό τίτλο «CREATION OF UNIVERSES FROM NOTHING«.

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: PHYSICS, SCHWINGER