疯狂科学:利用反物质创建伽玛射线激光

马里兰大学联合量子研究所的科学家介绍了一种使用物质-反物质湮灭产生伽玛射线激光的原理,涉及到玻色-爱因斯坦凝聚等理论。

疯狂科学:利用反物质创建伽玛射线激光

 伽玛射线是宇宙中最高能量形态之一,伽玛射线爆发意味着高能事件,但科学家通过反物质原理演示伽玛射线激光的形成。   

据国外媒体报道,伽玛射线、物质、反物质这些名词通常只能在科幻小说中出现,但现在科学家试图利用反物质的基本原理来创建伽玛射线激光,我们目前已经掌握了许多种波长的激光,可覆盖从紫外到X射线波段,而伽玛射线激光则会比X射线波长更短一些。如果我们使用反物质激光器理论上可产生比X射线激光波长小千分之一的激光,其能够探测非常微小的空间,因此这也是未来医学成像中非常有潜力的技术。

比较传统的激光类型有氩激光、氦氖激光等,比如紫外波段的氩氟激光波长在193纳米,氩激光的波长为488纳米,氦氖激光的波长为633纳米,在红光附近。还有红宝石激光波长在694纳米,再往前就是波长更长的激光,比如近红外的钕钇铝石榴石激光和远红外的二氧化碳激光,其波长达到大于千纳米数量级。

来自马里兰大学联合量子研究所的科学家布兰登·安德森等在新的研究中详细介绍了使用物质和反物质混合产生伽玛射线激光的方法,其原理涉及玻色-爱因斯坦凝聚,将超低温的气体激发创建激光束,产生激光的强弱取决于介入其中的电子偶素能量。电子偶素是由一个正电子和一个电子构成的束缚态,事实上电子是带负电荷的,而正电子带的正电荷,电子和正电子相互接触就会发生湮灭,并释放出两个高能光子,这个过程不到十亿分之一秒的时间,也可以认为电子偶素的半衰期是非常短的。

科学家为了创建伽玛射线激光,需要让电子偶素进入超低温的环境中,接近宇宙中最低的温度,绝对零度,大约接近零下273摄氏度,此时电子偶素就会发生玻色-爱因斯坦凝聚,由于电子和正电子的自旋存在差异,因此电子和正电子相互作用湮灭后可产生多个光子,但是光子的总能量是一定的。此外,科学家还发现在大约每立方厘米10的18次方个原子时可支持激发伽玛射线,这个数量听起来挺多,但接近空气密度。

早在1994年,贝尔实验室的科学家就提出了伽玛射线激光的概念,并且不断尝试新的方法来创建,比如一些射频脉冲等,而在本项研究中科学家使用了玻色-爱因斯坦凝聚原理来创建伽玛射线激光,相关原理发表在物理评论A刊上。