Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Zespół naukowców schłodził materię do jednej miliardowej stopnia zera absolutnego. Przestrzeń międzygwiazdowa nigdy nie jest tak zimna, ponieważ równomiernie wypełnia ją mikrofalowe promieniowanie tła (cosmic microwave background, CMB), czyli promieniowanie reliktowe, które jest pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. W poprzedzającej ten czas epoce, zwanej erą ostatniego rozpraszania, ekstremalne jeszcze temperatury uniemożliwiały połączenie się elektronów z jądrami atomowymi. Wysokoenergetyczne fotony rozpraszały się (odbijały) od krążących swobodnie elektronów. W erze rekombinacji ekspandujący Wszechświat ochłodził się na tyle, że umożliwił protonom i neutronom przechwytywanie elektronów, to z kolei doprowadziło do powstania atomów. W wyniku tego procesu fotony przestały oddziaływać z elektronami. Materia oddzieliła się od promieniowania, które jest właśnie mikrofalowym promieniowaniem tła.

Ostatnie rozproszenie było również ostatnim momentem w rozwoju Wszechświata, kiedy fermiony, takie jak protony i fotony, miały tę samą temperaturę. W wyniku ostatniego rozpraszania fotony wypełniły Wszechświat w określonej temperaturze 2,73 Kelwina, co odpowiada minus 454,76 stopniom Fahrenheita (minus 270,42 stopni Celsjusza), czyli zaledwie 2,73 stopnia powyżej zera absolutnego – 0 Kelwina lub minus 459,67 stopnia Fahrenheita (minus 273,15 stopni Celsjusza).

Schłodzona przez naukowców materia jest zimniejsza niż najzimniejszy znany region kosmosu, czyli Mgławica Bumerang, znajdująca się 3000 lat świetlnych od Ziemi, która ma temperaturę tylko o jeden stopień powyżej zera absolutnego. To rekordowo niska temperatura. Astronomowie uważają, że Mgławica Bumerang jest chłodzona przez zimny, rozszerzający się gaz wyrzucany przez umierającą gwiazdę w centrum mgławicy. Ale nawet Mgławica Bumerang nie może konkurować z temperaturami uzyskanymi w najnowszym eksperymencie.

W eksperymencie przeprowadzonym na Uniwersytecie w Kioto w Japonii wykorzystano fermiony, którymi fizycy cząstek elementarnych nazywają każdą cząstkę, z której składa się materia, w tym elektrony, protony i neutrony. Zespół schłodził fermiony – atomy pierwiastka iterb – do około jednej miliardowej stopnia powyżej zera absolutnego, hipotetycznej temperatury, w której wszelki ruch atomów powinien ustać.

– Jeśli żadna obca cywilizacja nie wykonuje obecnie takich eksperymentów, to ten przeprowadzony na Uniwersytecie w Kioto, wytworzył najzimniejsze fermiony we Wszechświecie – powiedział Kaden Hazzard, naukowiec z Rice University, który brał udział w badaniu.

Zespół do chłodzenia materii wykorzystał lasery poprzez ograniczenie ruchu 300 000 atomów w sieci optycznej. Eksperyment symuluje model fizyki kwantowej zaproponowany po raz pierwszy w 1963 roku przez fizyka teoretycznego Johna Hubbarda. Tak zwany model Hubbarda umożliwia atomom wykazanie niezwykłych właściwości kwantowych, w tym takiego stanu między elektronami, jak nadprzewodnictwo (czyli  zdolności przewodzenia elektryczności bez strat energii).

Zespół odpowiedzialny za ten eksperyment pracuje obecnie nad opracowaniem pierwszych narzędzi zdolnych do pomiaru zachowania, które pojawia się w jednej miliardowej stopnia powyżej zera absolutnego.

Opracowano na podstawie:
Scientists create coldest matter in the universe in a lab