Laser tia gamma tiến gần hơn với thực tế

Một nhà vật lý tại trường đại học California, Riverside, đã thực hiện các tính toán để chứng tỏ các bong bóng hình cầu rỗng chứa đầy các nguyên tử khí positronium bền trong helium lỏng.

Những tính toán này đã đưa các nhà khoa học tới một bước gần hơn việc hiện thực hóa một laser tia gamma hay còn gọi là graser – một thiết bị mới tồn tại trên lý thuyết và có thể tạo ra những tia gamga dính kết với nhau, vốn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong chụp ảnh y tế, động cơ đẩy tàu vũ trụ và điều trị ung thư. Nhà vật lý đoạt giải Nobel 2003 Vitaly Ginzburg đã cho rằng laser tia gamma là một trong 30 vấn đế quan trọng bậc nhất của vật lý.

Với thời gian tồn tại vô cùng ngắn ngủi, positronium là một nguyên tử giống hydro và là một hỗn hợp của vật chất và phản vật chất – đặc biệt, liên kết các trạng thái của những electron và những phản hạt của nó là positron. Để tạo ra một chùm tia laser tia gamma, positronium cần hinh thành một trạng trái bền mà người ta vẫn gọi là ngưng tụ Bose-Einstein – một sự kết hợp các nguyên tử positronium trong một trạng thái tương tự trạng thái lượng tử, cho phép nhiều tương tác và bức xạ gamma. Như thế một trạng thái ngưng tụ là thành phần chính của laser tia gamma.

“Tính toán của tôi đã chứng tỏ một bong bóng trong dung dịch helium lỏng chứa một triệu nguyên tử positronium có thể có một trạng thái đậm đặc gấp sáu lần không khí thông thường và có thể tồn tại như một vật chất – phản vật chất ngưng tự Bose-Einstein”, Allen Mills, một giáo sư Khoa Vật lý và vật lý thiên văn và là tác giả duy nhất của nghiên cứu “Positronium Bose-Einstein condensation in liquid He-4 bubbles” (Ngưng tụ Bose-Einstein của positronium trong các bong bóng He-4 lỏng) xuất bản trên Physical Review A.

Helium, nguyên tố nhiều thứ hai trong vũ trụ, tồn tại ở dạng lỏng chỉ trong điều kiện nhiệt độ cực thấp. Mills giải thích, helium có ái lực âm với positronium; các bong bóng hình thành trong helium lỏng do helium đẩy positronium. Quãng thời gian tồn tại dài của positronium trong helium lỏng được công bố lần đầu vào năm 1957.

Khi một electron gặp một positron, việc tiêu hủy lẫn nhau của chúng có thể đem lại hai kết quả, một là tạo ra một dạng năng lượng bức xạ điện từ mà người ta gọi là bức xạ gamma, hai là việc hình thành positronium.

Hiện đang phụ trách Phòng thí nghiệm Positron tại trường đại học UC Riverside, Mills cho biết phòng thí nghiệm đang lập cấu hình một chùm tia phản vật chất trong một cuộc khám phá để tạo ra các bong bóng “lạ” trong helium lỏng mà tính toán của ông đã dự đoán. Các bong bóng này có thể được coi như một nguồn của các trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein positronium.

“Những kết quả gần trong các thực nghiệm của chúng tôi là có thể quan sát được hiện tượng “đường hầm” positronium thông qua một tấm graphene, vốn không để bất cứ các nguyên tử của các vật chất thông thường lọt qua, bao gồm cả helium, cũng như sự hình thành của một chùm tia laser nguyên tử positronium với các ứng dụng điện toán lượng tử có thể thực hiện được”, Mills nói.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-gamma-ray-laser-closer-reality.html