Итак, пусть у нас есть позитронная плазма - 10 миллионов позитронов в ловушке, и 10 тысяч заторможенных антипротонов в соседней потенциальной яме той же ловушки.
Ловушка и ее продольный электростатический потенциал.
В некоторый момент электростатический потенциал, удерживающий антипротоны, отключается, и они забрасываются в позитронную ловушку. Хотя электростатический потенциал позитронной ловушки по оси z антипротоны удерживать не может, антипротоны сразу оттуда не выпадают, им мешают столкновения с позитронами. Пока антипротоны относительно неторопливо диффундируют в направлении свободы и смерти, у нас имеется несколько кубических сантиментров антипротон-позитронной плазмы. Со словом "плазма" обычно ассоцируется высокая температура, но температура плазмы в ловушке всего десяток градусов выше абсолютного нуля. Казалось бы, на таком холоде все антипротоны должны немедленно соединится с позитронами, и вот они, искомые холодные антиатомы. Но расчеты показывали - а вот не фига!
При рекомбинации выделяется энергия, и чтобы процесс шел, эта энергия должна чему то передаться. Если плазма очень разреженная, то единственный способ для позитрона избавится от лишней энергии - испустить фотон. В соотвествии с законами электродинамики, фотон испускается в том случае, если позитрон движется ускоренно. В интересующем нас случае ускорение вызывается притяжением позитрона к антипротону.
Напоминаю, что тот же самый эффект, точнее его отсутствие, привел Бора к его законам, а впоследствии и к квантовой механике: если бы электрон в атоме двигался как планета по орбите, то, поскольку круговое движение является ускоренным, электрон непрерывно излучал бы свет, пока не упал бы на ядро. В квантовой механике эта проблема снимается тем, что в связанном состоянии электрон в среднем не движется. А вот свободный электрон/позитрон можно рассматривать как волновой пакет, который таки движется и излучает.
Ускорение и соответственно, вероятность испускания фотона тем больше, чем ближе позитрон пролетает от антипротона. Это приводит к тому, что при помощи такого механизма рекомбинации (называемого радиационной рекомбинацией) в основном образуются атомы в основном состоянии. С одной стороны, это хорошо, поскольку именно такие атомы нужны для спектроскопических исследований. С другой стороны, вероятность такого процесса крайне мала, поскольку позитрон должен попасть в область порядка объема атома водорода в основном состоянии и при пролете сквозь эту область ему еще надо успеть испустить фотон. Для понимания: среднее растояние между позитроном и антипротоном в плазме приблизительно в столько же раз больше радиуса атома в основном состоянии, во сколько расстояние до Альфы Центавры больше, чем расстояние между Землей и Солнцем. Ждать битый час (в буквальном смысле), чтобы все антипротоны рекомбинировали за счет радиационной рекомбинации, не очень практично - они в одной ловушке с позитронами так долго не удержатся.
Можно, однако, обратить внимание на то, что холодная плазма представляет из себя среду с инверсной заселенностью, прямо как рабочая среда лазера. В обычной, не побоюсь этого слова, бытовой среде низкие энергетические уровни заселены, а высокие - нет, в холодной же плазме свободные позитроны заселяют уровни континуума, а более низкие энергетические уровни, соответсвующие связанным состояниям антипротонов и позитронов (то есть атомам), пусты. Если на плазму посветить излучением с энергией фотонов, равной энергии перехода с какого то уровня континуума в какое то связанное состояние, то будет происходить вынужденное излучение, т.е. фотоны будут стимулировать переход позитронов на более низкий энергетический уровень.
(это процесс, обратный к поглощению света: когда фотон падает на систему находящуюся на низком энергетическом уровне, он поглощается и переводит ее на высокий, а когда система уже находится на высоком уровне - фотон приводит к переходу системы на низкий с испусканием второго точно такого же фотона)
После недолгого совещания с Капитаном Очевидность такой способ производства антиатомов был назван стимулированной радиационной рекомбинацией. Все что нужно для реализации оной - просверлить дырку в ловушке и присобачить подходящий источник излучения. В качестве последнего лучше всего использовать лазер. Для стимулирования переходов сразу в основное состояние нужен мощный лазер, изучающий жесткий ультрафиолет, а таковые агрегаты не очень компактны, просты и дешевы, мягко говоря.
Но можно стимулировать переход в одно из возбужденных состояний:
Энергетические уровни атома антиводорода, возможные пути стимулированной рекомбинации, и типы лазеров, которые можно для этого использовать [картинка одолжена из Ryabinina M., Melnikov L. Laser-induced antiproton–positron recombination in traps // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 214 (2004) 35–39]
Тут, однако, возникает следующая проблема - чтобы вынужденная радиационная рекомбинация шла хотя бы с той же скоростью, что и спонтанная, при типичных параметрах плазмы, для, например, перехода на уровень n=3 (то есть производства возбужденных атомов в состоянии с главным квантовым числом n=3) требуется запустить в ловушку излучение с интенсивностью 24 Вт/см^2. Суть проблемы станет понятна, если потрогать включенную лампочку - такое излучение довольно быстро разогреет плазму, а в горячей плазме процесс рекомбинации идет очень медленно.
Поэтому возникла идея светить не непрерывно, а короткими импульсами. Потенциальных плюсов тут могло быть два. Первый был связан с тем, что у нас заселено не одно возбуженное состояние с фиксированной энергий, а целая полоса состояний континуума. Лазерный импульс конечен по времени, и в соотвествии с принципом неопределенности имеет некоторую непреденность частоты, из-за чего будет стимулировать рекомбинацию позитронов не фиксированной начальной энергии, а целой полосы энергий, ширину которой можно подобрать поближе к ширине теплового распределения позитронов по энергиям. Второй плюс основан на том, что непрерывное излучение стимулирует не только рекомбинация, но и обратную ионизацию свежеобразовавшихся атомов, в результате позитроны начинают колебаться между состояниями "связан/свободен". А вот продолжительность лазерного импульса можно подобрать такой, что этот процесс колебаний прервется на стадии "связан".
Тут начинается в чистом виде автобиография: моя научная деятельность началась как раз в составе группы, пытавшейся подкрепить рассчетами полезность перехода к импульсному излучению. До сих пор почти помню название своей курсовой работы: "Непертурбативные методы решения временного уравнения Шредингера" (однокурсников очень обрадовало слово "непертурбативные", ну чисто как дети...). Правда, пока я изучал и реализовывал непертурбативные методы, закончился грант пертурбативные методы показали, что импульсный режим не спасет - при частоте и мощности импулсов, при которых скорость рекомбинации получит прибавку, сравнимую со спонтанной, плазма все равно сильно нагреется.
В следущих сериях будет раскрыт секрет толстой стрелки с подписью "Electric pulse" на картинке выше, первых громких успехах экспериментаторов и последовавших скандалах, интригах, расследованиях, и моих попытках объяснить то, что, как оказалось, в объяснении не нуждалось.
Комментарии (0)