Verso il laser a raggi gamma basato sull’antimateria?

Oggi siamo in grado di utilizzare qualsiasi parte dello spettro elettromagnetico per realizzare un laser: microonde, onde lunghe e 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 possibile soluzione.

Il LASER a raggi gamma

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.

In un 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 sotto forma di 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 del secolo scorso 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 dell’effetto 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.

Il positronio

Di breve durata e stabile solo per pochissimo tempo, il positronio è un atomo simile all’idrogeno. È costituito da un elettrone e dalla sua antiparticella, il positrone, legati fra loro a formare un atomo esotico. Per riuscire a creare un laser a raggi gamma, il positronio deve trovarsi in uno stato chiamato condensato di Bose-Einstein: uno stato della materia che si ottiene quando si porta un insieme di bosoni a temperature estremamente vicine allo zero assoluto.

In queste condizioni, una frazione non trascurabile delle particelle si porta nello stato quantistico di più bassa energia e gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica. Un insieme di atomi di positronio in questo stato quantistico può portare all’emissione di radiazione gamma. Tale condensato è quindi l’ingrediente chiave di un laser a raggi gamma.

«I miei calcoli mostrano che una bolla contenente un milione di atomi di positronio in elio liquido avrebbe una densità pari a sei volte quella dell’aria ordinaria ed esisterebbe come condensato di Bose-Einstein di antimateria», spiega Mills, primo e unico autore di uno studio sulla scoperta pubblicato su Physical Review A. Lo stesso Mills, insieme a David Cassidy, nel 2007 era riuscito a compiere la prima osservazione di molecole di dipositronio, costituite da due atomi di positronio.

L’elio, il secondo elemento più abbondante nell’universo, esiste in forma liquida solo a temperature estremamente basse. Mills ha spiegato che l’elio ha un’affinità negativa per il positronio; le bolle si formano in elio liquido perché l’elio respinge il positronio. La lunga durata del positronio nell’elio liquido fu riportata per la prima volta nel 1957.