Što je lažni vakuum, kako se može raspasti?!

0
3373

Eksperiment proveden u Pitaevskii Centru za Bose-Einsteinovu kondenzaciju u Trentu proizveo je prve eksperimentalne dokaze o lažnom raspadu vakuuma.

Media Inaf zamolio je Alessandra Zenesinija, prvog autora publikacije koja izvještava o rezultatima ovog eksperimenta, da nam pomogne shvatiti što je lažni vakuum, kako se može raspasti i kako su izveli ovo izvanredno mjerenje.

Eksperiment je proveden u Italiji, u Pitaevskii centru za Bose-Einsteinovu kondenzaciju u Trentu, proizveo je prve eksperimentalne dokaze o lažnom raspadu vakuuma. Taj se proces događa kroz stvaranje malih lokaliziranih mjehurića koji, iako teorijski predviđeni, nikada do sada nisu bili “viđeni”. Sada je međunarodni istraživački tim koji uključuje znanstvenike sa Sveučilišta Trento i Sveučilišta Newcastle (UK) po prvi put promatrao stvaranje ovih mjehurića u pažljivo kontroliranim atomskim sustavima. Objavljeni u časopisu Nature Physics, rezultati nude eksperimentalne dokaze stvaranja mjehurića kroz lažni raspad vakuuma u kvantnom sustavu.

Screenshot_20240304-081243_Facebook

Dojam o tome što su istraživači uspjeli učiniti: atomi su u konfiguraciji u kojoj su svi poredani prema gore, “lažni vakuum” (strelice na slici). Zahvaljujući izuzetno preciznoj kontroli eksperimentalnih parametara (magnetsko polje, itd.) bilo je moguće modificirati njegova svojstva i učiniti ga više ili manje metastabilnim. Raspad se događa kada se orijentacija nekoliko atoma promijeni u prostornom dijelu oblaka i rađa se mjehurić (pogledajte crvene strelice na slici). Zasluge: A. Zenesini (Centar Pitaevskii Beč).

Kako bi razumjeli što je lažni vakuum i kako su uspjeli otkriti njegovo raspadanje, Media Inaf je došao do i intervjuirao prvog autora, Alessandra Zenesinija, prvog istraživača na Nacionalnom institutu za optiku CNR-a, specijaliziranog za eksperimentalnu fiziku ultrahladnih atoma. Zenesini trenutno radi u Centru Pitaevskii Bec, nakon doktorata u Pisi i jedanaest godina provedenih između Austrije i Njemačke. Zenesini, možete li nam objasniti što se podrazumijeva pod raspadom vakuuma? «U modernoj fizici vakuum je nešto kompliciranije od onoga što nam zdrav razum govori. Vakuum je naseljen česticama koje nastaju i nestaju u vrlo kratkim vremenima, a vakuum se može promatrati kao posebna konfiguracija u kojoj su elementarne čestice i njihova polja Standardnog modela bili “organizirani” nakon Velikog praska. Stoga je razumno očekivati da ova konfiguracija možda nije ona s najnižom energijom i da može postojati druga konfiguracija s nižom energijom, pravi vakuum. U uobičajenoj terminologiji, lažni vakuum je metastabilna konfiguracija visoke energije, a pravi vakuum je stabilan vakuum minimalne ukupne energije. Mogućnost da se lažni vakuum raspadne u pravi vakuum proučava se godinama, slično fenomenu kvantnog tuneliranja jedne čestice, ali uz primjetnu komplikaciju da vakuum nije jedan objekt koji prolazi kroz nametnutu barijeru, već složena konfiguracija mnogim prostorno proširenim česticama i poljima.”

Studija izvješćuje da se lažno raspadanje vakuuma događa stvaranjem malih lokaliziranih mjehurića. Što su ovi mjehurići? «Raspad lažnog vakuuma ne može se dogoditi uz istovremenu rekonfiguraciju cijelog svemira, jer bi to narušilo očuvanje energije. Raspad se stoga događa u ograničenom području prostora, barem u prvoj fazi. Upravo mjehurić. U mjehuriću, energija dobivena iznutra stvaranjem pravog vakuuma uravnotežena je površinskom napetosti mjehurića koja ovisi o kinetičkoj energiji. Stoga imamo konfiguraciju mjehurića koja ima istu energiju kao potpuno lažni vakuumski sustav. To omogućuje raspadanje koje štedi energiju. Nakon što se mjehurić rodi, može se širiti bez prepreka i zauzeti cijeli sustav. Zanimljiva značajka je da se mjehurić može roditi u bilo kojoj točki prostora, a rođenje mjehurića je stohastički proces. Ne znamo kada ni gdje. Ovaj proces ima primjetne sličnosti s onim što se može primijetiti u prehlađenoj vodi, to jest, vrlo čistoj vodi ohlađenoj ispod temperature smrzavanja, a koja ostaje tekuća.” Kako ste “vidjeli” mjehuriće? Od čega se sastoji vaš eksperiment?

«U našem eksperimentu koristimo oblake natrijevih atoma, oko milijun, ohlađenih do stanja Bose Einsteinove kondenzacije. U tom se stanju ponašaju usklađeno poput malih magneta, a jednadžba koja regulira njihovu dinamiku analogna je onoj kvantnog polja, kao što je Higgsovo polje na primjer. Pripremili smo atome u konfiguraciji u kojoj su svi bili poredani prema gore, naš “lažni vakuum” (vidi strelice na početnoj slici). Zahvaljujući izuzetno preciznoj kontroli eksperimentalnih parametara (magnetsko polje, itd.) možemo modificirati njegova svojstva i učiniti ga više ili manje metastabilnim. Raspad se događa kada se, kao što je spomenuto, u prostornom dijelu oblaka promijeni orijentacija nekoliko atoma i rađa se mjehurić (vidi crvene strelice na slici). Mora se uzeti u obzir da naš proces snimanja uništava oblak atoma. To je još uvijek kvantni objekt koji je pod snažnim utjecajem promatrača. Svaki put moramo ponovno stvoriti novi oblak, s istim svojstvima. Čak i ako ne možemo promatrati rađanje i dinamiku mjehurića kao na filmu, možemo prikupiti mnogo slika na kojima je mjehurić rođen nedavno ili dugo vremena, može, ali i ne mora biti tu. Izmjerili smo ovu vjerojatnost pojavljivanja mijenjanjem eksperimentalnih parametara i potvrdili je numeričkim simulacijama našeg sustava.”

«Teorija o lažnom raspadu vakuuma rođena je s kozmološkim procesima i fizikom visokih energija na umu, ali energije koje su tu u igri daleko su od trenutnih eksperimentalnih mogućnosti. U području ultrahladnih atoma, međutim, postoji tako precizna i stabilna kontrola eksperimentalnih parametara da su posljednjih godina različiti eksperimenti mogli proučavati standardni model u situacijama u kojima nije važno koliko jako natjerate čestice da se sudare, već koliko precizno znate kako ih izmjeriti. U našem eksperimentu ne promatramo vakuumsko raspadanje svemira, ali uspijevamo ponovno stvoriti i proučavati sličan proces u našem atomskom emulatoru. Jedan od najspektakularnijih aspekata je da koristimo iste formule i jednadžbe razvijene u kozmološkom polju, zahvaljujući suradnji s Ianom Mossom sa Sveučilišta u Newcastleu, poznatim kozmologom koji je u prošlosti također surađivao sa Stephenom Hawkingom.”

Priopćenje za tisak izvještava da bi, prema Mossu, raspad Higgsovog bozona u vakuumu promijenio zakone fizike, stvarajući ono što je opisano kao krajnja ekološka katastrofa. Ima li razloga za brigu?

„Iz tog razloga možemo biti sigurni. Naš se svemir neće urušiti zbog našeg eksperimenta. Naša otkrića mogu se koristiti za usavršavanje postojećih teorija ili razvoj novih. Prije svega, mogu poslužiti za bolje razumijevanje dinamike ultrahladnih atoma i naknadno za poboljšanje trenutnih kozmoloških teorija.”

Pripremio Igor Drenjančević

HOP

HOP -portal na telegramu

https://t.me/hopportal