Есть молекулярный позитроний!
|
На прошлой неделе из Калифорнийского университета в Риверсайде пришло радостное и долгожданное известие. Профессор физики Аллен Миллз (Allen P. Mills, Jr.) и его ассистент Дэвид Кассиди (David Cassidy) 13 сентября сообщили в журнале Nature, что им удалось создать очень недолговечные квазимолекулы, состоящие из пары электронов и пары позитронов. И не просто создать, но и надежно это доказать. Тем самым они с успехом завершили смелый исследовательский проект, который начали несколько лет назад. Во всяком случае, хочется надеяться, что их заявка останется в силе.
Как известно, физики-теоретики часто опережают экспериментаторов. Данный случай не составляет исключения, поскольку создания Кассиди и Миллза были предсказаны еще в 1946 году. Эта история сама по себе достаточно любопытна, так что я опишу ее в деталях.
Началась она на Балканах. В 1934 году хорватский физик Степан Мохоровичич (сын великого сейсмолога, обнаружившего названную его именем границу раздела между земной корой и мантией) предсказал существование связанного состояния электрона и позитрона. Он опирался на развитую Нильсом Бором теорию атома водорода, только вместо протона у него фигурировал позитрон. Мохоровичич опубликовал свои выводы в очень престижном немецком журнале Astronomische Nachrichten. Думаю, что выбор издания объяснялся тем, что тогда позитрон имел вполне небесный статус: в 1931 году Поль Дирак предсказал существование положительно заряженного антиэлектрона, а годом позже Карл Андерсон обнаружил его в ливнях космических частиц (а заодно и окрестил). А еще через год Ирен и Фредерик Жолио-Кюри уже наблюдали антиэлектроны чисто земного происхождения, возникающие при рождении электронно-позитронных пар из гамма-квантов, испущенных радиоактивным источником.
Работе Мохоровичича не повезло. Астрономов она особо не заинтересовала, а физики ее, кажется, и не заметили. Не привилось и предложенное им название электронно-позитронного псевдоатома — электрум. Ныне общепринятый термин «позитроний» изобрел вашингтонский физик Артур Руарк (Arthur Edward Ruark), который в 1945 году пришел к той же идее. А годом позже принстонский профессор Джон Арчибальд Уилер с более общих позиций рассмотрел возможность не только парных, но и более сложных связанных состояний электронов и позитронов, которые назвал полиэлектронами. Вскоре эти теории стали подтверждаться в эксперименте, причем, что естественно, всё началось с позитрония. Впервые его в 1951 году наблюдал переселившийся в США австрийский физик Мартин Дойч (Martin Deutsch), в ту пору профессор Массачусетского технологического института.
Сейчас свойства атомов позитрония хорошо изучены. В экспериментах они образуются при столкновениях медленных позитронов с атомами. Некоторые из таких столкновений приводят к тому, что позитрон захватывает один из внешних электронов атомной оболочки. По размеру атом позитрония вдвое превышает атом водорода.
Как известно, атом водорода может существовать в двух основных состояниях, определяемых взаимной ориентацией спинов протона и электрона. При параллельной ориентации спинов имеем ортоводород, при антипараллельной — параводород (к слову, космическое радиоизлучение водорода объясняется именно переходами между этими состояниями). Атомы позитрония тоже рождаются в орто- и параверсиях. Ортопозитроний аннигилирует на нечетное число квантов электромагнитного излучения с суммарной энергией 1022 кэВ, чаще всего на три гамма-кванта. Парапозитроний, напротив, всегда дает начало паре гамма-квантов.
Это различие в способах распада (которое обуславливается законом сохранения зарядовой четности) приводит к тому, что времена жизни двух форм позитрония оказываются весьма различны. Ортопозитроний существует в вакууме 142 наносекунды, парапозитроний — 125 пикосекунд. В материальных средах атомы позитрония живут еще меньше, чем в пустоте. В общем, это весьма нестабильные системы. Тем не менее они, как и обычные атомы, могут существовать и в форме ионов. В 1981 году Аллен Миллз, который тогда работал в Белловских лабораториях, получил отрицательный ион позитрония, сложенный из пары электронов и одного позитрона.
Аналогия между позитронием и водородом простирается и дальше. Атомы водорода склонны объединяться в двухатомные молекулы. Естественно предположить, что на такое способны и атомы позитрония. Об этом впервые догадался Уилер, о чём и написал в уже упомянутой статье о полиэлектронах (более того, он даже предсказал существование молекул из трех атомов позитрония). Физики не раз пытались создать в эксперименте предсказанные Уилером двухатомные системы, но из этого долго ничего не получалось. Только в 2005 году сотрудники Калифорнийского университета в Риверсайде с коллегами из Японии и двух других американских исследовательских центров заявили (Pdf, 560 Кб), что им удалось произвести на свет двухатомный молекулярный позитроний — дипозитроний (в химической номенклатуре обозначается Ps2). Это была довольно многочисленная группа (8 участников), но ключевую роль в ней играли те же Кассиди и Миллз. Однако тогдашние экспериментальные результаты допускали разные толкования, так что ученый мир ждал более убедительных доказательств.
И вот теперь они вроде бы получены. Кассиди и Миллз вновь использовали позитронную ловушку, которую несколько лет назад изобрели их коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Диего, возглавляемые Клиффордом Сарко (Clifford M. Surko). Накопив в ней около двадцати миллионов позитронов, экспериментаторы выстреливали ими в небольшой участок кварцевой пленки толщиной 230 нанометров, содержащей множество тончайших отверстий. Каждый импульс был очень коротким, позитроны уходили в цель менее чем за наносекунду. Проникая внутрь этих пор, позитроны встречались с электронами и иногда в союзе с ними давали начало атомам позитрония. КПД этого процесса был очень низким, число позитрониевых атомов не превысило ста тысяч. Некоторые из атомов более долговечного ортопозитрония успевали отмигрировать на поверхность пленки и там объединялись в молекулы дипозитрония.
Кассиди и Миллз выбрали кварц в качестве мишени отнюдь не случайно. При образовании дипозитрония выделяется энергия. Ее надо куда-то отвести, в противном случае атомы позитрония почти наверняка оттолкнутся друг от друга и вновь разойдутся в разные стороны. Поверхность кварцевой пленки поглощала эту энергию и тем стабилизировала атомное спаривание. Пронизывающие ее поры сильно увеличивали ее площадь, создавая больше места для рождения дипозитрониевых молекул.
Естественно, сами эти молекулы никто не видел. Однако при аннигиляции они давали характерное гамма-излучение, которое и было зарегистрировано. Интенсивность этого излучения падала при увеличении температуры пленки. Этого и надо было ожидать, поскольку на холодной поверхности должно было сохраниться больше молекул дипозитрония. Поэтому Кассиди и Миллз полагают, что теперь в их руках оказались вполне надежные доказательства его рождения.
Эти эксперименты могут дать и вполне практические плоды. Кассиди и Миллз подсчитали, что в их эксперименте плотность атомов позитрония составила 1015 на см3. Расчеты показывают, что при повышении этой плотности на три порядка эти атомы при температуре 15 кельвинов сольются в единую квантовую систему — бозе-эйнштейновский конденсат. При последующем увеличении плотности еще в тысячу раз в нём можно будет запустить каскадную реакцию аннигиляции позитрония, которая приведет к рождению когерентных гамма-квантов. В итоге может быть создан излучатель, который пока что существует лишь на страницах фантастических романов, — гамма-лазер.
Источник: D. B. Cassidy, A. P. Mills, Jr. The production of molecular positronium // Nature. V. 449. P. 195–197.
