طیف نمایی پوزیترونیوم

اگر چه مطالعه اتمها و مولکولها و بر هم کنش آنها با الکترونها و تابش الکترو مغناطیسی از بیش از یک صد سال پیش در جریان بوده است ولی هنوز هم عمدتاً به دلیل پیدایش ابزارهای نیرومندتر، فعالیت در این زمینه رو به افزایش است. در تولید باریکه‌های اتمی گامهای بزرگی بر داشته شده است. برای نمونه یکی از مقاله‌ها نشان می‌دهد که به شیوه‌ای کاملاً کنترل شده می‌توان تمامی الکترونهای حتی سنگینترین اتم را نیز از آن جدا کرد. این امر، راه تولید باریکه‌های سریع تقریباً هر اتمی با هر مقدار بار الکتریکی را هموار می‌سازد.
هم چنین از آزمایشهایی که در آزمایشگاه لارنس برکلی، دانشگاه A & M تگزاس، دانشگاه تنسی، و آزمایشگاه ملی اوک ریج انجام گرفته است پیش رفتهایی در تولید یونهای با بار زیاد و سرعت کم گزارش شده‌اند. از داده‌های حاصل از کار برد این یونها، در رشته‌های گوناگونی چون اختر فیزیک، پژوهش گداخت، و ساخت لیزرهای با بسامد بسیار بالا استفاده می‌شود. به طوری که مقاله‌ها نشان می‌دهند توجهی که به توسعه و تکمیل چشمه‌های نوری شده است نیز کمتر از این نبوده است.
هدف بسیاری از پژوهشهای فیزیک اتمی، درک خواص اتمها و مولکولها در ارتباط با کنترل رفتار گازها و پلاسماهایی است که در دنیای اطراف ما وجود دارند و یا آنها را تولید می‌کنیم. اما هنوز هم آزمایشهایی انجام می‌گیرند که هدف آنها درک بهتر قوانین بنیادی فیزیک است. علاوه بر طیف نمایی پوزیترونیوم، که متضمن دقت بسیار زیاد در اندازه گیریهای مربوط به سیستمی با عمر بسیار کوتاه است، شواهد دیگری به دست آمده است که برخی از ضعیفترین بر هم کنشهای درون اتم، تقارنهایی را می‌شکنند که با نیروهای قویتر شکسته نمی‌شوند.
چنین بر می‌آید که یک گروه بین المللی که در آلمان کار می‌کردند هسته‌های اورانیوم و کوریوم را به طرف هم رانده و آنها را آن قدر به یک دیگر نزدیک کرده است که هسته مرکبی با یک صد و هشتاد و شش برابر بار پروتون تشکیل شده است. میدان الکترو مغناطیسی چنین هسته‌ای آن چنان قوی است که محیط اطراف را از هم می‌درد و موجب تولید زوجهای الکترون – پوزیترون می‌شود.
پوزیترونیوم (که علامت اختصاری آن Ps است) نخستین بار در سال 1951 میلادی مشاهده شد. پوزیترونیوم صرفاً یم «اتم» لپتونی است که از یک الکترون و یک پوزیترون تشکیل می‌شود. ترازهای انرژی Ps، درست همانند اتم هیدروژن، کوانتیده هستند و انرژی پیوند پایینترین ترازهای آن در حدود 8ر6 الکترون ولت است. اسپینهای الکترون و پوزیترون ممکن است هم جهت (حالت سه لت) و یا در خلاف جهت یک دیگر باشند (حالت یک لت). در نابودی الکترون و پوزیترون حالت یک لت پایینترین انرژی در فاصله زمانی حدود 10-10 ثانیه از بین می‌رود، ولی پایینترین حالت سه لت زمان بشتری، در حدود 10-8 ثانیه، دوام می‌آورد. با استفاده از روشهای جدید طیف نمودی، این فاصله‌های زمانی برای انجام اندازه گیریها، به دلیل نبودن هسته در Ps، آزمون دقیقی از نیروی الکترو مغناطیسی را ممکن می‌سازد بدون این که نیروی قوی در آن دخالت داشته باشد.
جو و هم کاران، اختلاف انرژی بین دو تراز پایین Ps را با دقت 12 قسمت در میلیارد اندازه گیری و گزارش کرده‌اند. برای رسیدن به این دقت لازم است که در شرایط خلأ بسیار بالا، یعنی در فشار گاز کمتر از 10-12 اتمسفر، عمل کرد و انتقالهای دوپلری ناشی از حرکت اتمهای Ps را از میان بر داشت. این کار با استفاده از جذب هم زمان دو فوتون لیزری هم بسامد که دقیقاً در جهات متقابل در حرکت هستند انجام می‌شود. کنترل دقیق میدانهای الکتریکی و مغناطیسی نیز ضرورت دارد، زیرا این میدانها هم در ترازهای انرژی اختلال ایجاد می‌کنند.
نخستین گام در آفرینش پوزیترونیوم این است پوزیترونهای گسیل شده از کوبالت پرتو زا را به صورت باریکه در آوریم، و آن گاه با استفاده از عدسیهای الکترو مغناطیسی آنها را دسته دسته کنیم. پوزیترونها در بسته‌های 50 تا 100 تایی تشکیل می‌شوند و به یک سطح تمیز آلومینیومی، که جهت صفحه بلوری آن به دقت مشخص شده است بر خورد می‌کنند. بخش قابل توجهی از پوزیترونهایی که به سطح بر می‌خورند پس از گیر اندازی یک الکترون به صورت اتمهای Ps حالت سه لت گسیل می‌شوند. برای بر انگیختن Ps، از یک لیزر رزینه‌ای تنظیم پذیر استفاده می‌شود. دو فوتون از لیزر رزینه‌ای، در صورتی که بسامد مناسب داشته باشند، اتم Ps را بر انگیخته می‌کنند، در صورتی که جذب فوتون سوم اتم را از بین می‌برد، و یک بار دیگر پوزیترونی آزاد به وجود می‌آید که با شتاب گرفتن بر روی پرده فسفری قابل آشکار سازی است. بدین گونه، با تنظیم بسامد لیزر رزینه‌ای می‌توان انرژی بین دو حالت پوزیترونیوم را اندازه گرفت. دقت این اندازه گیری طی سالیان اخیر دهها برابر شده است. این نتایج، با توجه به بر آوردهای کنونی خطا، با پیش بینیهای نظریه الکترو دینامیک کوانتومی مطابقت دارند.