Verso il laser a raggi gamma basato sull’antimateria?

Un laser a raggi gamma potrebbe funzionare, usando il positronio: particelle simili all'idrogeno costituite da un elettrone e dal suo partner antimateria a carica positiva , un positrone.

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laser a raggi gamma

Oggi siamo in grado di utilizzare qualsiasi parte dello spettro elettromagnetico per realizzare un laser, microonde, onde lunghe, raggi X. Le uniche lunghezze d’onda che rimangono fuori dalla nostra portata sono quelle “ultra corte” la parte gamma dello spettro elettromagnetico, ma ora un ricercatore ha proposto una soluzione.

Allen Mills, fisico della Riverside University of California, ha sviluppato un modello matematico che mostra come un laser a raggi gamma potrebbe funzionare, usando il positronio: particelle simili all’idrogeno costituite da un elettrone e dal suo partner antimateria a carica positiva , un positrone.

Nel positrone le due particelle sono legate dalla forza elettromagnetica in un sistema molto instabile.

A prevedere l’esistenza di questa strana materia esotica fu Lo scienziato croato Stjepan Mohorovičić in una relazione del 1934 pubblicata dall’Astronomische Nachrichten, dove denominava la sostanza “elettro“. Altre fonti accreditano a Carl Anderson l’aver previsto la sua esistenza nel 1932. Alla fine, Fu scoperto sperimentalmente da Martin Deutsch al MIT nel 1951, e diventò noto da allora come positronio.

Grazie all’uso di elio a basse temperature potrebbe essere possibile utilizzare i raggi gamma prodotti dalle collisioni materia-antimateria per creare un fascio laser.

I calcoli eseguiti da Mills dimostrano che una bolla di elio liquido contenente un milione di atomi di positronio avrebbe una densità sei volte quella dell’aria ordinaria ed esisterebbe come un condensato di Bose-Einstein.

Se il lavoro svolto da Mills potrà essere utilizzato praticamente, lo scienziato potrebbe aver risolto quella che una volta era descritta come una delle maggiori sfide della fisica moderna.

Ma per capire perché questa è una sfida così grande, dobbiamo prima capire cosa c’è di così speciale nei laser.

La parola “laser” è in realtà un acronimo, che sta per Amplificazione della luce per emissione stimolata di radiazione. Nella normale luce visibile, ci sono diverse lunghezze d’onda, il laser invece stimolando gli elettroni di un particolare materiale emette fotoni in modo ordinato, con una sola lunghezza d’onda. La coerenza dell’emissione dei fotoni, tutti con la stessa lunghezza d’onda impedisce le interferenze realizzando un’emissione lineare che non disperde i fotoni.

I laser sono in uso fin dagli anni 60 utilizzando lunghezze d’onda relativamente lunghe, mentre negli anni 70 gli ingegneri si cimentarono nel realizzare emissioni laser con luce UV, di soli 110 nanometri, poi lo sviluppo si è fermato.

Trovare i materiali giusti per generare e sfruttare lunghezze d’onda sempre più brevi è stato complesso. Onde più piccole significano un periodo più breve di eccitazione per gli elettroni, un problema che richiede una quantità crescente di energia da fornire al processo di amplificazione del laser mentre diffonde lo spettro della luce.

Per questo, la realizzazione di laser con lunghezze d’onda sempre più piccole è stata lenta e un laser a raggi X è diventato fattibile solo negli anni ottanta, inizialmente parte del programma USA “Guerre Stellari” voluto dal presidente Reagan e poi fu confermato in esperimenti successivi.

Gran parte dei tentativi di realizzare un laser a raggi gamma hanno percorso la via del super freddo, cioè raffreddare gli atomi a temperature bassissime, vicine allo zero assoluto, in modo da creare una sorta di super particella quantistica.

Il lavoro di Mills prevede di mescolare le particelle di positronio con l’elio che respinge la strana coppia di particella e antiparticella formando un ammasso denso e stabile, un condensato di Bose-Einstein.

Ora Mills dovrà sperimentare il tutto in laboratorio cercando di creare una giusta quantità di questa materia esotica.

I risultati a breve termine dei nostri esperimenti potrebbero essere l’osservazione del tunnel del positronio attraverso un foglio di grafene – che è impermeabile a tutti gli atomi di materia ordinaria, incluso l’elio – nonché la formazione di un raggio laser da un atomo di positronio con possibili applicazioni per il calcolo quantico“, afferma Mills.

Se Mills riuscirà nell’impresa di far funzionare un laser gamma utilizzando il positronio e l’elio avremo la possibilità di sviluppare nuove tecnologie di imaging e nuovi sistemi di propulsione.

Questa ricerca è stata pubblicata su Physical Review A.