Из одной крайности физики могли бы узнать кое-что о другой. Исследователи Макса Планка провели эксперименты с чрезвычайно холодными атомами, которые также могут пролить свет на чрезвычайно горячий период вскоре после Большого взрыва. Они подготовили очень холодный и разреженный газ из атомов лития таким образом, что их можно разделить на три типа. Частицы трех видов образуют состояния, называемые борромейскими по имени герба итальянской семьи. Протоны и нейтроны были созданы аналогичным образом сразу после Большого взрыва и сегодня составляют основные строительные блоки нашей материи.
Модель холодных атомов теперь предлагает новые возможности для исследования таких состояний - не в последнюю очередь потому, что в этой системе можно целенаправленно влиять на взаимодействие частиц, как утверждают ученые в журнале "Physical Review Letters"..
Треугольные отношения также существуют с атомами
У единства есть символ: Филиппо Борромео, вероятно, хотел выразить свою нерушимую дружбу со своими спонсорами, когда в середине 15 века включил кольца Борромео на свой фамильный герб. Они настолько переплетены, что только три образуют единое целое. Если одно кольцо отсутствует, два других также развалятся. Это относится не только к некоторым дружеским отношениям, но и к особому ménage à trois, в которое вступают атомы или элементарные частицы.
Физики из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге объединили атомы крайне холодного газа лития, чтобы сформировать такое соединение, которое может существовать только в виде тримера, то есть в виде треугольника. Кварки также образуют ассоциации с аналогичными свойствами в протонах и нейтронах, которые составляют видимую массу Вселенной.
По следам строительных блоков материи
То, как три атома лития объединяются в тримеры, может также пролить свет на то, как строительные блоки нашей материи образовались из чрезвычайно плотной и горячей смеси частиц кварк-глюонной плазмы вскоре после Большого взрыва. Или как формируются нейтронные звезды, которые также состоят из этой измельченной формы материи, и мало что известно об их точных свойствах. В отличие от ускорителей частиц, где кварк-глюонная плазма генерируется и исследуется напрямую, в экспериментах с холодными атомами физики могут настраивать многие параметры, чтобы контролировать взаимодействие частиц.
Чтобы получить газ, в котором три атома лития могут соединиться, требуется немного экспериментального мастерства. Все начинается с трудности охлаждения газа атомов почти до абсолютного нуля. С этой целью гейдельбергские ученые под руководством Селима Йохима заполняют около миллиона атомов лития в оптической дипольной ловушке. В такой ловушке мощный лазер захватывает и удерживает частицы своей электромагнитной силой. Частицы движутся ровно настолько, насколько температура соответствует доле миллионной доли градуса выше абсолютного нуля.
Три группы частиц
Люди из Гейдельберга еще даже не дошли до тримеров. В таком холодном газе, квантовом газе, атомы не находят друг друга сами по себе, они даже не существуют друг для друга.
«Вблизи абсолютного нуля атомы лития, как и электроны в атоме, занимают каждое состояние ровно один раз», - объясняет Джохим. Атомы лития относятся к группе фермионов, а фермионы по своей сути весьма своеобразны: в отличие от бозонов, два представителя этого вида никогда не могут существовать в одном и том же состоянии, законы квантовой физики запрещают это. Однако для того, чтобы столкнуться, им нужно было сделать именно это - принять одно и то же состояние движения. Необходимый для этого эгалитаризм в основном предотвращает столкновение частиц.
«Трудность теперь заключается в том, чтобы подготовить ровно три группы частиц в газе, которые отличаются друг от друга не только состоянием движения, но и другим свойством», - говорит Тимо Оттенштейн, принимавший активное участие в эксперименте.. Только тогда три частицы, принадлежащие к разным группам, смогут распознать друг друга и столкнуться. Тогда они могут принять одно и то же состояние движения, потому что их можно отличить по разным свойствам.
Атомы лития в спиновом состоянии
Для этой цели гейдельбергские ученые с помощью радиоволн перевели одну треть атомов лития в определенное спиновое состояние. Спин частицы соответствует ее магнитному моменту. То есть каждая частица напоминает крошечный стержневой магнит. То, как стержневые магниты выровнены, - это то, что отличает три группы атомов лития после воздействия радиоволн. До сих пор исследователи могли разделить похожие газы только на две группы, каждая со своим собственным вращением.
Даже в этом случае три частицы не соединяются вместе по своей воле. Только с помощью магнитного поля их сближают Селим Джохим и его сотрудники - по одному представителю от каждой группы. Физики Гейдельберга определили правильную силу магнитного поля в нескольких тысячах измерений. «Мы сами не ожидали, что этот эксперимент увенчается успехом, - говорит Йохим. сомнения."
Исследователи стремятся продлить срок службы тримера
Частицы оставались в состоянии Борромео лишь доли секунды. После мимолетного контакта между этими тремя частица улетает, оставляя две другие в виде обычной пары. И пара, и выброшенная частица поглощают столько энергии, что катапультируются из дипольной ловушки. Таким образом, гейдельбергские исследователи не могут более подробно исследовать состояние Борромео.
Но это должно измениться: «Мы уже реализуем ряд идей по продлению срока службы тримера», - говорит Йохим, тем самым способствуя обмену мнениями между физиками-атомщиками и физиками элементарных частиц.