Stof-antistofgas af positronium er laserkølet - Physics World

Stof-antistofgas af positronium er laserkølet - Physics World

Tidsstempel: 1. marts 2024 kl. 11:07


Positronium eksperiment på CERN
Cool eksperiment: apparatet brugt af AEgIS-teamet til at laserafkøle positronium. (Med høflighed: CERN)

Forskere ved CERN og University of Tokyo har uafhængigt laserkølede skyer af positronium. Gennembruddet skulle gøre det lettere at foretage præcisionsmålinger af antistofs egenskaber og give forskere mulighed for at producere mere antibrint.

Positronium er en atom-lignende bundet tilstand af en elektron og dens antipartikel positron. Som en hybrid af stof og antistof er det skabt i laboratoriet for at give fysikere mulighed for at studere antistofs egenskaber. Sådanne undersøgelser kunne afsløre fysik ud over Standardmodellen og kunne forklare, hvorfor der er meget mere stof end antistof i det synlige univers.

Positronium skabes i øjeblikket i "varme" skyer, hvor atomerne har en stor fordeling af hastigheder. Dette gør præcisionsspektroskopi vanskelig, fordi et atoms bevægelse bidrager til en lille Doppler-forskydning i lyset, som det udsender og absorberer. Resultatet er en udvidelse af de målte spektrallinjer, hvilket gør det vanskeligt at se nogen bittesmå forskelle mellem spektre forudsagt af standardmodellen og eksperimentelle observationer.

Mere antibrint

"Der er flere virkninger af dette resultat," siger Universitetet i Oslo Antoine Camper, en laserfysiker og medlem af AEGIS. "Ved at reducere hastigheden af ​​positronium kan vi faktisk producere en eller to størrelsesordener mere antibrint." Antihydrogen er et antiatom, der omfatter en positron og en antiproton, og er af stor interesse for fysikere.

Camper siger også, at forskningen baner vejen for at bruge positronium til at teste nuværende aspekter af standardmodellen, såsom kvanteelektrodynamik (QED), som forudsiger specifikke spektrallinjer. "Der er meget fine QED-effekter, som du kan undersøge med positronium, fordi det kun består af to leptoner og derfor er meget følsomt over for ting som den svage kraftinteraktion," forklarer han.

Foreslået første gang i 1988, det har taget årtier for laserafkøling af positronium at blive opnået. "Positronium er virkelig usamarbejdsvillig, fordi det ikke er stabilt," siger Jeffrey Hangst ved Danmarks Aarhus Universitet. Han er talsmand for ALPHA, antibrinteksperimentet på CERN. "Det tilintetgør sig selv efter 140 ns, og det er det letteste atomsystem, vi kan lave, hvilket bringer en hel række af vanskeligheder."

Atomets korte levetid skyldes delvist udslettelsesprocessen mellem elektroner og positroner. Det betyder, at laserimpulser skal interagere med positroniumskyen hurtigere end positroniumhenfald.

AEGIS-teamet begynder afkølingsprocessen ved at indeholde en sky af positroner i en Penning-fælde. Dette bruger statiske elektriske og magnetiske felter til at begrænse ladede partikler.

Derefter skydes positronerne gennem en nanokanal siliciumkonverter. Efter spredning og tab af energi binder positroner sig til elektroner på konverterens overflade, hvilket skaber positronium. Dette trin fungerer som et forafkølingstrin, før positroniumatomerne opsamles i et vakuumkammer, hvor de laserkøles.

Foton interaktioner

Afkølingsprocessen involverer, at atomerne absorberer og genudsender fotoner fra en laser og mister kinetisk energi i processen. Lysets bølgelængde er sådan, at det kun absorberes af atomer, der bevæger sig mod laseren. Disse atomer udsender derefter fotoner i tilfældige retninger - køler dem ned.

Holdet brugte en laser med et alexandritforstærkningsmedium, hvilket Camper siger er ideelt, fordi det producerer en stor spektral båndbredde, der er i stand til at afkøle partikler med en stor hastighedsfordeling. Når den er afkølet, måles temperaturen af ​​positroniumskyen med en sondelaser. AeGIS-teamet var i stand til at reducere sin temperatur fra 380 K til 170 K.

"Vi har faktisk demonstreret, at vi er ved at nå grænsen for effektiviteten af ​​køling for den interaktionstid, som vi brugte til traditionel Doppler-køling," sagde Camper.

Ny antistofforskning

At klare at afkøle positronium til lave temperaturer kan åbne op for nye måder at studere antistof på. Positronium er et godt teststed for fundamentale teorier Hangst siger: "Der er to ting, som vi virkelig bør forstå i atomfysik, den ene er brint og den anden er positronium, fordi de kun har to legemer."

Præcisionsspektroskopi kan bestemme energiniveauerne for positroniumatomet og se, om de stemmer overens med eksisterende forudsigelser lavet af QED. På samme måde kan energiniveauerne af positronium bruges til at undersøge virkningerne af tyngdekraften på antistof.

Imidlertid Christopher Baker, en ALPHA-fysiker fra Swansea University, siger, at forskerne stadig har en lang vej at gå, før præcisionsspektralanalyse kan udføres. "For at få noget brugbart skal vi ned på omkring 50 K," sagde han. Der er stadig ting, som holdet kan gøre for at sænke temperaturerne, såsom kryogenisk afkøling af målkonverterne eller at bringe en anden laser ind.

"Jeg tror, ​​de er på rette vej, men det bliver mere og mere vanskeligt at blive koldere og koldere," sagde Baker.

Hangst er enig i, at det vil vare et stykke tid, før forskere kan nå deres "pie in the sky"-mål om at skabe et Bose-Einstein-kondensat ud af positronium

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters. I en fortryk som endnu ikke er blevet peer reviewed, Kosuke Yoshioka og kolleger ved University of Tokyo beskriver en ny laserafkølingsteknik, der har afkølet en positroniumgas.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden