Mad Science: Hvordan Man Opbygger En Gamma-Stråle Laser Med Antimatter

{h1}

Forskere træner trinene for at lave en kraftfuld gamma-ray laser drevet af en slags materie-antimatterblanding kaldet positronium.

At bygge gamma-stråle lasere drevet af en eksotisk hybrid af stof og antimatter kan lyde som science fiction, men forskere er nu et skridt tættere på at gøre det.

Mens de bølgelængder af traditionelle lasere driver gamuten fra infrarød til røntgenstråler, er en gammastråleraser afhængig af lysbølger, der er endnu mindre end røntgenstråler. Den antimatterdrevne laser ville for eksempel producere lys med bølgelængder tusindedel af størrelsen af ​​moderne røntgenlasere, hvilket gør det muligt at probere utroligt små rum og gøre det nyttigt i medicinsk billedteknologi.

I den nye undersøgelse detaljerede Yi-Hsieh Wang, Brandon Anderson og Charles W. Clark, alle fra University of Maryland Joint Quantum Institute, hvordan en særlig type stof-antimatterblanding kaldet positronium ville fungere som gevinstmedium, det materiale, som gør almindeligt lys til en laserstråle.

De fandt ud af, at når en vis mængde energi blev leveret til positronium, ville det gøre laserlys, men ved andre energier ville det ikke. Desuden fandt forskerne, at positroniet skal være i en tilstand kaldet et Bose-Einstein-kondensat, eller en mærkelig køletilstand, for at skabe en laserstråle. [Wacky Physics: De fedeste små partikler i naturen]

Frembringelse af laserlyset afhænger af, hvor meget energi der sættes i positroniumet ved en udbrud af infrarødt lys; kun energier i et bestemt område producerer lasingeffekten, sagde Clark.

"Tænk på en stemmeknap [fra lav til høj energi," sagde Clark til WordsSideKick.com. "Herunder, siger fem, vi ser isotrop emission af gammastråling, der går i alle retninger. Når du passerer fem, vil du pludselig se en skarp strålingslinje i to retninger." Den linje - virkelig en cigar-formet blast af fotoner - er laseren. Over denne energi går gammastrålerne kun i alle retninger uden lasing.

Denne underlige effekt har at gøre med selve karakteren af ​​positronium. Hvert positronium "atom" er faktisk en almindelig elektron og en positron, eller antimatterækvivalenten af ​​en elektron. Elektroner er negativt ladet, mens positrons er positivt ladet. Når de to berører, udslætter de og frigiver to fotoner - lys - ved høje energier i gamma-stråleområdet, der bevæger sig i modsatte retninger.

Nogle gange kan en elektron og en positron ende med at spinde rundt om hinanden, ligner den måde, elektroner kredser om protoner til at lave atomer. Positroner er dog meget lettere end protoner, så positronium er ikke stabil - og inden for mindre end en milliardedel af et sekund vil elektronerne og positronerne kollidere og udslette hinanden.

For at lave en gamma-ray laser skal forskerne gøre positronium meget koldt - tæt på absolut nul (minus 460 grader Fahrenheit eller minus 273 grader Celsius). Denne chillingsproces forvandler positroniet til en tilstand af materiale kaldet et Bose-Einstein-kondensat, hvori alle atomerne - eller i dette tilfælde elektron-positronpar - indtaster samme kvante tilstand, hovedsagelig som et enkelt supersaliseret atom. [Videnskabsfakta eller fiktion? Virkeligheden af ​​10 Sci-Fi Concepts]

Et aspekt af kvantetilstand er spin, som er nummereret minus 1/2 eller 1/2. I positroniet skal spindene (af elektronen og positronen) tilføje op til 1 eller 0. Når de tilføjer op til 1, tager positronium en brøkdel af en nanosekund længere for at ødelægge sig selv. I løbet af et sekund udgøres Bose-Einstein-kondensatet i høj grad af spin-1 positronium.

En lyspuls med langt infrarøde bølgelængder kan skifte positronium til spin-0. Spin-0 positronium udsletter sig selv og genererer den tovejsede stråle af sammenhængende gammastråler - laseren. Dette virker, fordi alle positronium "atomer" har samme centrifugeringsnummer. Hvis det var en tilfældig samling af spin-0 og spin-1 positronium, ville lyset bare scatter i alle retninger.

Forskerne fandt også ud af, hvor mange atomer positronium ville være nødvendigt for at lave et gamma-ray laser arbejde: Der kræves ca. 10 til 18 atomerne per kubikcentimeter for at gøre kondensatet. Det kan lyde som en masse, men det er en brøkdel af luftens tæthed, som har ca. 2,5 x 10 til det 19. kraftstof i samme volumen.

Allen P. Mills og den sene Philip Platzmann derefter til Bell Labs, foreslog først en sådan gamma-ray laser i 1994, da de to var hos Bell Labs. Mills sagde, at ved at udarbejde matematikken var Wang, Anderson og Clark i stand til at indsnævre de betingelser, hvorunder en sådan laser kunne bygges.

"Udover at give os et glimt af, hvad der vil blive krævet for en praktisk enhed, hvis den nogensinde er blevet forsøgt, herunder detaljer om den [radiofrekvens] pulsstruktur, der ville være nødvendig, introducerer dette papir den fascinerende fysik, der kunne udforskes ved hjælp af en [Bose Einstein kondensat], "Mills, i øjeblikket professor i fysik og astronomi ved University of California, Riverside, skrev i en email til WordsSideKick.com.

Det nye arbejde er beskrevet i tidsskriftet Physical Review A.

Følg os @wordssidekick, Facebook& Google+. Originalartikel om WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com