Бурная жизнь позитронов

Когда в научно-популярных книжках или новостях пишут про антиматерию, то непременно говорят: как только антивещество коснется обычного вещества, тут же произойдет аннигиляция. Это конечно всё так, но только, как мне кажется, обычно чересчур сильно подчеркивается «мгновенность» этого процесса. Возникает впечатление, что если позитрон, летевший через вакуум, попадёт в какую-то твердую мишень, то тут же — как только коснется самого первого электрона мишени! — он и проаннигилирует.

А на самом деле это вовсе не так. Попав в вещество, позитрон может там прожить яркую и насыщенную нетривиальными событиями жизнь. Она вся, конечно, уместится в считанные десятки наносекунд, но для современной экспериментальной физики это огого какой длинный промежуток времени. И за последние пять лет физики сумели проследить за несколькими этапами этой бурной жизни позитрона.

Образование и распад позитрония

Конечно, попав в вещество и будучи окруженным со всех сторон электронами, позитрон может тут же проаннигилировать. Но как ни странно, вероятность этого не так уж и велика. А гораздо вероятнее, что позитрон просто будет раз за разом упруго сталкиваться с электронами вещества, постепенно теряя свою энергию, пока в конце концов не термализуется. Потом он зацепит какой-нибудь электрон и объединится с ним в единую связанную атомоподобную систему — позитроний, Ps.

Сам про себе позитроний, конечно, нестабилен. Если его не трогать, то электрон и позитрон сами собой проаннигилируют — т.е. позитроний распадется на два фотона (если это был пара-позитроний) или на три фотона (если это был орто-позитроний). Пара-позитроний и орто-позитроний отличаются тем, как у электрона и позитрона ориентированы спины относительно друг друга. Казалось бы, такая мелочь, но из-за этих спинов сильно меняется среднее время жизни позитрония. Пара-позитроний живет всего 0,125 нс, а орто-позитроний в тысячу раз больше, 142 нс.

Позитроний в веществе

А если теперь позитроний находится не в вакууме, а прямо в веществе, среди атомов и молекул — успеет ли он что-то сделать за эту сотню наносекунд? Успеет, и немало!

Во-первых, он успеет много раз столкнуться с атомами или электронами. Скажем при скорости 25 км/сек позитроний сталкивается с атомами с частотой сотню тысяч (!) раз за наносекунду. Разрушить позитроний вовсе не так просто — ведь у него тоже есть энергия связи, как у электронов в атомах. Поэтому на масштабе наносекунды он будет вести себя просто как нейтральный атом необычного, сверхлегкого типа. Собственно, в этой науке позитроний как правило и называют атомом, несмотря на то, что у него нет ядра. Кстати, 25 км/сек — это как раз среднеквадратичная тепловая скорость позитрония при комнатной температуре.

Во-вторых, позитроний, дрейфуя в веществе, может довольно быстро выйти на поверхность и залипнуть там — особенно, если мишенью является пористый кварц, с которым обычно проводят такие эксперименты. Это почти как адсорбция на поверхности для обычных атомов, только механизм слегка иной. Это интересный процесс, потому что с точки зрения энергии ему невыгодно ни отцепиться и улететь в вакуум, ни залезть обратно в вещество (хотя конечно за счет тепловых флуктуаций он всё же может улетучиться). В результате позитроний начинает просто блуждать по поверхности. А если поверхность — это маленькая пора нанометрового размера, то он оказывается пойманным в поре на достаточно длительное время.

Наличие вещества рядом, конечно, слегка (раза в два-три) сокращает жизнь орто-позитрония, но всё равно у него остаются в запасе десятки наносекунд. Если например в пористом кварце поры не изолированы, а объединены наноканалами в общую сеть, то «тепленький позитроний», ползая по поверхности, успеет обследовать с тысячу пор. А поскольку позитрониев в таких экспериментах образуется много и почти все они вылезают в поры, то рано или поздно они натыкаются друг на друга и начинают взаимодействовать. И среди прочего они могут образовывать настоящие связанные состояния — молекулярный позитроний, молекулы Ps₂.

И что дальше?

А дальше с позитронием, в атомарном или молекулярном виде, можно проводить интересные эксперименты. Во-первых, можно изучать спектроскопию возбужденных состояний позитрония. Буквально на днях было впервые измерено отличие в энергии первого возбужденного состояния (2P) свободного позитрония и позитрония в поре. Благодаря этим измерениям был вычислен диаметр пор в пористом кварце (в той работе он оказался равным примерно 5 нм). Получается, что с помощью спектроскопии можно удобно измерять размеры пор в таких образцах (скажем, измерять характерные размеры наноскопических разрушений при облучении материалов).

Но это такая, совсем прикладная вещь. А гораздо интереснее другая цель — создать бозе-конденсат из позитрониев. Для этого их надо накопить в поре в достаточном количестве, и они сами перейдут в состояние конденсата. Тут очень полезно, что позитроний очень легкий — он в тысячу раз легче атома водорода и в сотни тысяч легче атомов тяжелых элементов. Из-за этого квантовые эффекты в облачке из позитрониев выражены намного сильнее, чем в обычном веществе, и поэтому ожидается, что бозе-конденсация наступит при температурах намного выше, чем для обычных газов.

Это было бы здорово само по себе, но тут есть еще один поворот — из конденсата позитрониев можно сделать гамма-лазер. Один позитроний, проаннигилировав, породит фотоны, которые смогут «стимулировать» аннигиляцию в других позитрониях. В результате получится лавиообразное рождение гамма-квантов в одном и том же состоянии — т.е. сверхкороткая вспышка когерентного гамма-излучения. Это пока остается мечтой, но вроде бы вполне осуществимой. Если это будет реализовано, появится новый инструмент исследования сразу для нескольких областей прикладной физики.

Наконец, с точки зрения фундаментальной физики позитроний — исключительно «чистая» система. Там нет адронов с их сложной и непонятной структурой, а значит, свойства позитрония можно вычислять с высокой точностью и сравнивать их с данными. Есть даже предложения искать появления нарушения CP и CPT-симметрий и даже так называемой «зеркальной материи».

Последние пять лет

Для иллюстрации того, как движутся дела в этой области, вот небольшая выборка интересных результатов за последние пять лет.

• 2005: Experiments with a High-Density Positronium Gas, облучение пористого кварца высокоинтенсивными потоками поизтронов и первые косвенные намеки на образование молекулярного позитрония.
  
• 2006: Positron annihilation as a method to characterize porous materials, обзор про порозиметрию на основе аннигиляции позитронов.
  
• 2007: Physisorption of Positronium on Quartz Surfaces, теоретическая статья, успешно описавшая физисорбцию позитрония на кварце (заметка в Phys.Rev.Focus).
  
• 2007: The production of molecular positronium и Interactions Between Positronium Atoms in Porous Silica, взаимодействие между атомами позитрония с образованием молекулярного позитрония; см. популярную статью на «Элементах».
  
• 2010: Positronium Cooling and Emission in Vacuum from Nanochannels at Cryogenic Temperature, очень эффективное превращение потока позитронов в холодный газ позитрониев, которые охлаждались за счет ударов об стенки наноканалов и вылетели в вакуум.
  
• 2010: Structural and Phase Changes in Amorphous Solid Water Films Revealed by Positron Beam Spectroscopy, красивый пример прикладного использования позитронной спектроскопии: изучения того, как возникают и затягиваются нанопоры в тончайшем слое льда при осаждении пара на поверхность.
  
• 2010: Electron-Like Scattering of Positronium, неожиданное экспериментальное обнаружение того, что позитроний рассеивается на многих атомах так же, как и один-единственный электрон, движущийся с той же скоростью. И это несмотря на то, что позитроний нейтрален и имеет вдвое большую массу, чем электрон. Получается, что в этой ситуации рассеяние позитрона каким-то образом экранировано.
  
• 2011: Cavity Induced Shift and Narrowing of the Positronium Lyman-α Transition (и полу-популярная статья в журнале Physics), спектроскопические изменения позитрония в порах.