最新動態:伽馬射線雷射的研究又向前邁進了一步

2020-12-05 量子認知

伽瑪射線（或γ射線）是原子衰變裂解時放出的射線之一。其電磁波波長在0.01納米以下，穿透力很強，又攜帶高能量，是繼α射線、β射線後發現的第三種原子核射線。和X射線特性相似但具有比X射線還要強的穿透能力。伽瑪射線可以應用於醫學成像，太空飛行器推進和癌症治療等。

伽馬射線雷射（gamma-ray laser）是一種會產生相干伽馬射線的設施，就像普通雷射器會產生可見光的相干射線一樣。

加州大學河濱分校的物理學家艾倫·米爾斯（Allen Mills）通過研究與計算結果表明，充滿正電子素原子氣體的空心球形氣泡在液氦中是穩定的。這一計算結果使科學家們更進一步地實現了伽馬射線雷射，

米爾斯的計算表明，含有100萬個原子的液態氦中的氣泡，其密度將是普通空氣的6倍，並且會以物質-反物質的玻色-愛因斯坦凝聚態的形式存在。」他這一研究成果剛發表在《物理評論A》上。

正電子素（Positronium）是一個電子與一個正電子組成的亞穩定的束縛態，化學符號是Ps。最早由麻省理工學院物理學家Martin Deutsch在1951年發現。

正電子素是極短壽命且僅短暫穩定的類氫原子，是物質-反物質混合物，是電子及其反粒子的結合態。為了產生伽馬射線雷射束，正電子素需要處於一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的狀態，即處於相同量子態的正電子原子的集合，從而允許更多的相互作用和伽馬射線。這種凝聚態是伽馬射線雷射的關鍵成分。

氦是宇宙中含量第二高的元素，僅在極低的溫度下才以液態形式存在。 氦氣對正電子具有負親和力。氦氣排斥氦氣，在液態氦氣中形成氣泡。 1957年首次報導了正電子素在液氦中的長壽命。

當電子遇到正電子素時，它們一個結果是可能相互湮滅產生強大而高能的電磁輻射，即伽馬輻射。第二個結果是正電子素的形成。

湮滅（英語：annihilation）是指當物質和它的反物質相遇時，會發生完全的物質-能量轉換，轉為能量（如以光子的形式）的過程，又稱互毀、相消、對滅。

米爾斯說實驗室正在配置反物質束，以期在這個計算中預測會在液氦中產生奇特的氣泡。這樣的氣泡可作為正電子素玻色-愛因斯坦冷凝物的來源。

米爾斯表示：「我們實驗的近期結果可能是觀察到穿過石墨烯片的正電子素隧穿，這對包括氦在內的所有普通物質原子都是不可滲透的，並且在可能的量子計算應用中會形成正電子素原子雷射束。」。

伽瑪射線雷射是一個雄心勃勃的項目，充滿了實驗困難，需要開發新的實驗技術。使用高能粒子束，可以通過稱為成對產生的方法產生反物質。然而，這通常涉及昂貴且大型的設施，例如電子直線加速器，目前在世界上這種操作很少（也許只有三個）。維塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）在2003年的諾貝爾獎演講中，將伽馬射線雷射列為物理學中最重要的問題之一。

參考資料：A. P. Mills. 「Positronium Bose-Einstein condensation in liquid He4 bubbles」, Physical Review A (2019). 6 December 2019

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