Το ποζιτρόνιουμ (positroniumν Ps) είναι ένα βραχύβιο σύστημα, στο οποίο ένα ηλεκτρόνιο και το αντι-σωματίδιο του (το ποζιτρόνιο) συνδέονται μεταξύ τους. Το 2007, οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Riverside στην Καλιφόρνια δημιούργησαν μόρια ποζιτρόνιουμ Ps, μια ολοκαίνουργια ουσία, στα εργαστήρια τους. Τώρα όμως έχουν καταφέρει να απομονώσουν για πρώτη φορά, ένα δείγμα άτομα ποζιτρόνιουμ με πολωμένα σπιν.Το ποζιτρόνιουμ Ps δηλαδή είναι ένα εξωτικό μόριο που μοιάζει με το υδρογόνο. Σε ένα άτομο υδρογόνου, το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο κινείται γύρω από ένα θετικό πρωτόνιο. Και η ελκτική ηλεκτρική δύναμη μεταξύ των δύο σωματιδίων τα συγκρατεί μαζί στο ίδιο άτομο.
Στο ποζιτρόνιουμ από την άλλη, το πρωτόνιο του υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα ποζιτρόνιο με θετικό φορτίο σαν του πρωτονίου και με ίδια μάζα με ένα ηλεκτρόνιο, που είναι ακριβώς το 1/1.836 ενός πρωτονίου. Έτσι το ποζιτρόνιουμ είναι ένα εξαιρετικά ελαφρύ "άτομο".
Ξέρουμε ότι το σπιν είναι μια θεμελιώδης και εγγενής ιδιότητα του ηλεκτρονίου, και παραπέμπει στην στροφορμή του ηλεκτρονίου. Άτομα με πολωμένα σπιν είναι αυτά που όλα έχουν την ίδια κατάσταση σπιν. Μια ομάδα από άτομα ποζιτρόνιουμ με πολωμένα σπιν είναι απαραίτητη για να πραγματοποιηθεί μια ειδική μορφή της ύλης, που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC). Το BEC, που προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 1924 και δημιουργήθηκε το 1995, επιτρέπει στους φυσικούς να μελετήσουν τα άτομα με ένα μοναδικό τρόπο.
“Πετύχαμε αυτό το αποτέλεσμα αυξάνοντας την πυκνότητα των ατόμων ποζιτρόνιουμ στο εργαστήριο μας," λέει ο David Cassidy, ο επικεφαλής συγγραφέας της ερευνητικής εργασίας και βοηθός ερευνητής στο εργαστήριο του Allen Mills, καθηγητή της φυσικής. "Σε μια τέτοια μεγάλη πυκνότητα, τα άτομα ποζιτρόνιουμ εξαϋλώνονται απλά αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους. Αλλά αποδείχθηκε στην πράξη ότι δεν είχαν όλα τα άτομα εξαϋλωθεί κάτω από αυτές τις συνθήκες."
Ο Cassidy εξήγησε ότι τα άτομα ποζιτρόνιουμ τα συναντάμε σε δύο τύπους – δηλαδή, στο πάνω τύπο (σπιν πάνω) και στον κάτω τύπο (σπιν κάτω). Τα άτομα αυτά εξαϋλώθηκαν πλήρως μόνο όταν ο πάνω τύπος συναντήσει τον κάτω τύπο. Δύο άτομα του ίδιου τύπου, δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
"Έτσι, εάν έχετε το 50% πάνω και το 50% κάτω και τα συμπιέσετε μαζί τότε θα εξαϋλωθούν εντελώς οπότε θα μετατραπούν σε ακτίνες γάμμα," εξήγησε. "Αλλά εάν έχετε, για παράδειγμα, άτομα με 66% πάνω τύπο και 33% κάτω, τότε μόνο τα μισά άτομα του πάνω τύπου θα εξαϋλωθούν. Θα πάρετε λοιπόν ακτίνες γάμμα – αλλά στο τέλος θα σας μείνει ένας μόνο τύπος ατόμων – στην προκειμένη περίπτωση, τα πάνω άτομα.
"Πρόκειται για μια σημαντική εξέλιξη για την πραγματοποίηση των BEC," αναφέρει ο Cassidy, "γιατί έχετε ξεκαθαρίσει δραστικά το δείγμα των ατόμων από positronium. Και έτσι θα έχετε μια καθαρή συλλογή με άτομα με ευθυγραμμισμένα σπιν, οπότε μπορούν να σχηματίσουν το BEC."
Είναι γνωστό ότι όταν τα άτομα βρίσκονται στην κατάσταση BEC, ουσιαστικά είναι ακίνητα ή κινούνται πολύ αργά, διευκολύνοντας τη μελέτη τους. Άτομα που δεν είναι BEC από την άλλη πλευρά τριγυρίζουν με πολύ υψηλές ταχύτητες, κάνοντας τα πολύ πιο δύσκολο να μελετηθούν.
"Υπάρχουν θεμελιώδεις λειτουργίες που μπορούν να εξεταστούν με νέους τρόπους όταν η ύλη βρίσκεται στην κατάσταση BEC," δήλωσε ο Mills. "Έχοντας άτομα σε συμπύκνωμα Bose είναι ευκολότερο να εξερευνήσουμε τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν κάτω υπό ορισμένες συνθήκες. Επιπλέον, το να έχουμε ακίνητα άτομα positronium είναι μια σημαντική πτυχή για την πραγματοποίηση του λέιζερ ακτίνων γάμμα, τα οποία θα μπορούσαν να έχουν στρατιωτικές και πολυάριθμες επιστημονικές εφαρμογές."
Σύμφωνα με τους Mills και Cassidy, η νέα έρευνα θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει στην παραγωγή ενέργειας από σύντηξη, η οποία παράγεται στους πυρήνες των άστρων και του ήλιου μας, ενώ σκοπεύουν οι επιστήμονες να την συλλάβουν σε ειδικά εργοστάσια στο μέλλον.
"Η ενδεχόμενη παραγωγή ενός συμπυκνώματος από positronium θα μπορούσε να μας βοηθήσει ώστε να κατανοήσουμε γιατί το σύμπαν αποτελείται από ύλη και όχι από αντιύλη ή απλά από καθαρή ενέργεια”, δήλωσε ο Cassidy. “Θα μπορούσε, επίσης, μια ημέρα να μας βοηθήσει ώστε να μετρηθεί η βαρυτική αλληλεπίδραση της αντιύλη με την ύλη. Προς το παρόν, κανείς δεν γνωρίζει με βεβαιότητα αν η αντιύλη ανεβαίνει προς τα πάνω (φαινόμενα αντιβαρύτητας) ή προς τα κάτω όπως και η ύλη (βαρύτητα) ."
Η έρευνα τους προετοιμάζει το έδαφος για μελλοντικά πειράματα όπου θα χρησιμοποιήσουν ένα λέιζερ ατόμων positronium για την αναζήτηση φαινομένων αντι-βαρύτητας, που συνδέονται με την αντιύλη και θα μετρήσουν τις ιδιότητες του positronium με μια πολύ υψηλή ακρίβεια.
