Ученые готовятся построить аннигиляционный гамма-лазер

Двадцать лет назад исследователи Bell Labs, Филипп Плацман и Аллен Миллс младший, предположили, что в роли гамма-лазера может выступать конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из атомов позитрония. Позитроний представляет собой квантово-механическую систему, объединяющую в себе вещество (электрон) и антивещество (позитрон).

Год спустя после публикации работы Плацмана и Миллса БЭК (из атомов рубидия) был впервые получен в лаборатории. К настоящему времени ученые смогли привести в состояние бозе-эйнштейновского конденсата атомы 13 различных элементов. Исследователи Объединенного квантового института (JQI) Мэрилендского университета в США, в распоряжении которых есть 4 различных БЭК, задумались о весьма экзотической его разновидности.

Новая работа ученых посвящена подробным расчетам динамики БЭК, состоящего из атомов позитрония. Эти расчеты впервые учитывают взаимодействие между атомами позитрония различных типов, существенно влияющее на работу гамма-лазера.

Античастицы, первые из которых были получены в начале 1930-х годов, активно используются в различных областях науки и техники. Например, диагностический метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) основан на регистрации гамма-излучения, возникающего при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны рождаются при распаде радионуклидов, которые вводятся в организм пациента перед исследованием и способны задерживаться в тканях тех или иных органов. Позитрон быстро захватывает какой-нибудь электрон, образуя атом позитрония. Не пройдет и микросекунды, как этот атом самоуничтожится, а вся его масса превратиться в энергию (да-да, E=mc²). Как правило, носителями этой энергии оказывается пара гамма-квантов (по 511 кэВ на каждый). Человеческий организм практически «прозрачен» для такого излучения, что позволяет получить отчетливую визуализацию тех органов, где сконцентрирован радиофармпрепарат.

Концепция гразера, предложенная Плацманом и Миллсом, предполагает одновременное «самоуничтожение» большого количества атомов позитрония, порождающих интенсивный импульс гамма-излучения с энергией гамма-квантов 511 кэВ.

Позитроний живет меньше микросекунды, однако демонстрирует отличительные черты атома. Подобно атому водорода, связанному воедино силой электростатического взаимодействия между протоном и электроном, позитроний остается целостной системой благодаря притяжению положительно заряженного позитрона и отрицательно заряженного электрона.

Поскольку электрон и позитрон обладают одинаковым спином, равным ½ (в единицах приведенной постоянной Планка), то позитроний может иметь либо нулевой, либо целый спин. Если спины электрона и позитрона сонаправлены, они образуют ортопозитроний со спином 1, а если противоположно направлены — то парапозитроний со спином 0.

В качестве источника когерентного гамма-излучения — гразера — годится только парапозитроний. Ортопозитроний живет дольше и аннигилирует не в два, а в три ?-кванта с меньшей энергией.

Ученые показали, что можно запустить процесс вынужденной аннигиляции — аналог вынужденного излучения в схеме работы обычного лазера. Когда пучок позитронов вступает во взаимодействие с веществом, захватывая электроны, образуется случайны набор атомов позитрония обоих типов. Парапозитроний аннигилирует за время около 0.1 наносекунды, а ортопозитроний живет на три порядка дольше. В это «дополнительное» время ортопозитроний может служить носителем энергии для следующего гамма-импульса: если удастся «переключить» его состояние и превратить ортопозитроний в парапозитроний, он сыграет роль активной усиливающей среды, которая произведет импульс гамма-излучения с энергией 511 кэВ.

Наиболее вероятным «переключателем», который можно использовать в этом процессе, по мнению ученых, является импульс излучения в дальнем ИК-диапазоне. Они предложили несколько последовательностей, способных «переключить» спин позитрония из 1 в 0 за период времени, сопоставимый со временем аннигиляции.

Плацман и Миллс заметили, что конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой благоприятную основу для реализации гамма-лазера. Низкая температура и высокая плотность в фазовом пространстве (все атомы БЭК находятся практически в идентичных состояниях, и весь конденсат ведет себя как единое целое) позволяют получить когерентное вынужденное излучение: тепловое движение атомов позитрония и вызванные им доплеровские сдвиги частоты отсутствуют и не нарушают согласованность электромагнитных волн.

Исследователи из JQI рассчитали, что БЭК из атомов позитрония будет формироваться лишь при достижении некоторой пороговой плотности исходного газа. Эта плотность зависит от температуры, но, вероятно, ее величина составит порядка 1018 атомов позитрония на кубический сантиметр (около 3% плотности воздуха). При такой плотности между частицами будут нередко происходить столкновения, в результате которых атомы позитрония могут переходить из одного состояния в другое (два атома ортопозитрония могут превратиться в два атома парапозитрония, и наоборот). Эти процессы приводят к изменению плотности активной усиливающей среды гразера и среды, служащей для запасания энергии. Ученые пришли к выводу, что существует некоторая критическая плотность, при превышении которой столкновения и взаимные превращения атомов позитрония с различным спином быстро нарушат состояние когерентности.

Однако есть и хорошие новости: критическая плотность все же превышает пороговую, необходимую для формирования БЭК. А это значит, что можно реализовать систему, благоприятствующую возникновению когерентного гамма-излучения. Возможно, работа ученых позволит тщательнее спланировать будущие эксперименты и наконец-то построить действующий гамма-лазер.