Τι είναι το protonium;

Άρθρο, Αύγουστος 2007

Το protonium είναι ένα εξωτικό άτομο στο οποίο συνυπάρχουν ένα αντιπρωτόνιο (με αρνητικό φορτίο) και ένα πρωτόνιο (με θετικό φορτίο). Γι αυτό το protonium είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μποζόνιο με βαρυονικό αριθμό μηδέν.

Παρόλο που η μίξη αντιύλης και ύλης έχει συνήθως προβλέψιμες βίαιες συνέπειες - εξαϋλώνονται παράγοντας μια τρομερή έκρηξη ενέργειας - εντούτοις  φυσικοί στη Γενεύη έχουν βρει έναν νέο τρόπο να αναγκάσουν την αντιύλη και την ύλη να συνδυαστούν, τουλάχιστον για πολύ μικρό χρόνο, σε μία μόνο ουσία. Αυτή η εξαιρετικά ασταθής ουσία, φτιαγμένη από ένα πρωτόνιο και ένα αντιπρωτόνιο ονομάζεται protonium.

Για τις θεωρητικές μελέτες του protonium έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως η μη σχετικιστική κβαντομηχανική. Αυτές προβλέπουν ότι η διάρκεια της ζωής του είναι στο εύρος ανάμεσα στα 0,1 έως 10 μικροδευτερόλεπτα. Σε αντίθεση με τα άτομα του υδρογόνου στα οποία οι κυρίαρχες αλληλεπιδράσεις οφείλονται στην έλξη Coulomb μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου, τα συστατικά του protonium (αντιπρωτόνιο και πρωτόνιο) αλληλεπιδρούν κυρίως μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Ως εκ τούτου η παραγωγή και η μελέτη του protonium θα ήταν ενδιαφέρουσα, ακόμα και για την κατανόηση των δυνάμεων μεταξύ των νουκλεονίων.

Υπάρχουν δύο γνωστές μέθοδοι για να παραχθεί το protonium. Η μια μέθοδος περιλαμβάνει βίαιες συγκρούσεις σωματιδίων. Η άλλη μέθοδος περιλαμβάνει την τοποθέτηση αντιπρωτονίων και ποζιτρονίων στην ίδια μαγνητική παγίδα για την παραγωγή μιας παράξενης ύλης, του αντι-υδρογόνου. Η τελευταία μέθοδος χρησιμοποιήθηκε αρχικά κατά τη διάρκεια του πειράματος ATHENA (μια συσκευή για πειράματα υψηλής ακρίβειας για σχηματισμό ουδέτερης αντιύλης) στα εργαστήρια του CERN στη Γενεύη το 2002, αλλά μόνο τον Οκτώβριο του 2006 οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι παρήχθη επίσης και το protonium κατά τη διάρκεια εκείνου του πειράματος.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι στην ίδια μαγνητική παγίδα για το σχηματισμό του αντι-υδρογόνου μερικά από τα αντιπρωτόνια αντέδρασαν με τα ιονισμένα μόρια του συνηθισμένου υδρογόνου, κλέβοντας έτσι τα πρωτόνια του. Αυτά τα συστήματα πρωτονίου-αντιπρωτονίου κράτησαν λίγα μόνο μικροδευτερόλεπτα, αλλά ήταν αρκετός χρόνος ώστε πολλά από αυτά να παρασυρθούν μακριά από τον πυρήνα του πειράματος προτού εκραγούν.

Κατά τη σύγκρουση ενός πρωτονίου και ενός αντιπρωτονίου σε υψηλές ενέργειες προκαλείται τελικά η δημιουργία πολλών σωματιδίων. Στην πραγματικότητα, τέτοιες αντιδράσεις είναι η βάση των επιταχυντών όπου συγκρούονται διάφορα σωματίδια, όπως είναι το Tevatron στο Fermilab.

Όμως οι έμμεσες αναζητήσεις για το protonium στον δακτύλιο αντιπρωτονίων χαμηλής ενέργειας LEAR στο CERN, έγιναν με αντιπρωτόνια τα οποία προσκρούουν πάνω σε πυρήνες, όπως του ηλίου, με ασαφή όμως αποτελέσματα. Τέτοιες συγκρούσεις σε πολύ χαμηλές ενέργειες, στο εύρος από 10 eV έως 1 keV μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό του protonium.

Τα μελλοντικά πειράματα θα χρησιμοποιήσουν παγίδες ως πηγές χαμηλής ενέργειας αντιπρωτονίων. Σε αυτά μια ακτίνα αντιπρωτονίων θα προσκρούσει πάνω σε στόχους ατομικού υδρογόνου, στο χώρο μιας ακτίνας λέιζερ, η οποία προορίζεται να διεγείρει το συνδεδεμένο ζεύγος πρωτονίου- αντιπρωτονίου προς μια διεγερμένη κατάσταση του protonium. Δεδομένου ότι το protonium είναι χωρίς φορτίο, δεν θα εκτραπεί από ένα μαγνητικό πεδίο. Μετά αυτό το protonium, εάν βέβαια σχηματιζόταν, θα διέσχιζε ένα χώρο υψηλού κενού, μέσα στο οποίο αναμένεται να αποσυντεθεί μέσω της εξαΰλωσης του πρωτονίου και αντιπρωτονίου. Στο τέλος τα προϊόντα της αποσύνθεσης θα έδιναν  καταφανείς υπογραφές του σχηματισμού του protonium.

Πηγές: Wikipedia, NewScientist