Materie-Antimaterie-Gas von Positronium wird lasergekühlt – Physics World

Forscher am CERN und der Universität Tokio haben unabhängig voneinander lasergekühlte Positroniumwolken hergestellt. Der Durchbruch sollte es einfacher machen, präzise Messungen der Eigenschaften von Antimaterie durchzuführen und es Forschern ermöglichen, mehr Antiwasserstoff zu produzieren.

Positronium ist ein atomartig gebundener Zustand eines Elektrons und seines Antiteilchens, des Positrons. Als Hybrid aus Materie und Antimaterie wird es im Labor hergestellt, um Physikern die Untersuchung der Eigenschaften von Antimaterie zu ermöglichen. Solche Studien könnten die Physik jenseits des Standardmodells aufdecken und erklären, warum es im sichtbaren Universum viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Positronium entsteht derzeit in „warmen“ Wolken, in denen die Atome eine große Geschwindigkeitsverteilung aufweisen. Dies erschwert die Präzisionsspektroskopie, da die Bewegung eines Atoms zu einer leichten Doppler-Verschiebung des von ihm emittierten und absorbierten Lichts führt. Das Ergebnis ist eine Verbreiterung der gemessenen Spektrallinien, wodurch es schwierig wird, winzige Unterschiede zwischen den vom Standardmodell vorhergesagten Spektren und experimentellen Beobachtungen zu erkennen.

Mehr Antiwasserstoff

„Dieses Ergebnis hat mehrere Auswirkungen“, sagt die Universität Oslo Antoine Camper, Laserphysiker und Mitglied von AEgIS. „Indem wir die Geschwindigkeit von Positronium verringern, können wir tatsächlich ein oder zwei Größenordnungen mehr Antiwasserstoff produzieren.“ Antiwasserstoff ist ein Antiatom, das aus einem Positron und einem Antiproton besteht und für Physiker von großem Interesse ist.

Camper sagt auch, dass die Forschung den Weg ebnet, Positronium zum Testen aktueller Aspekte des Standardmodells zu verwenden, wie etwa der Quantenelektrodynamik (QED), die bestimmte Spektrallinien vorhersagt. „Es gibt sehr feine QED-Effekte, die man mit Positronium untersuchen kann, weil es nur aus zwei Leptonen besteht und daher sehr empfindlich auf Dinge wie die Wechselwirkung schwacher Kräfte reagiert“, erklärt er.

Erstmals 1988 vorgeschlagen, dauerte es Jahrzehnte, bis die Laserkühlung von Positronium gelang. „Positronium ist wirklich unkooperativ, weil es nicht stabil ist“, sagt er Jeffrey Hangst der dänischen Universität Aarhus. Er ist Sprecher von ALPHA, dem Antiwasserstoff-Experiment am CERN. „Es vernichtet sich nach 140 ns selbst und ist das leichteste Atomsystem, das wir herstellen können, was eine ganze Reihe von Schwierigkeiten mit sich bringt.“

Die kurze Lebensdauer des Atoms ist teilweise auf den Vernichtungsprozess zwischen Elektronen und Positronen zurückzuführen. Das bedeutet, dass Laserpulse schneller mit der Positroniumwolke interagieren müssen, als Positronium zerfällt.

Das AEgIS-Team beginnt den Abkühlungsprozess, indem es eine Positronenwolke in einer Penning-Falle einschließt. Dabei werden statische elektrische und magnetische Felder verwendet, um geladene Teilchen einzuschließen.

Anschließend werden die Positronen durch einen Nanokanal-Siliziumkonverter geschossen. Nach der Streuung und dem Energieverlust binden Positronen an Elektronen auf der Oberfläche des Konverters und erzeugen Positronium. Dieser Schritt dient als Vorkühlschritt, bevor die Positroniumatome in einer Vakuumkammer gesammelt und dort lasergekühlt werden.

Photonenwechselwirkungen

Beim Abkühlungsprozess absorbieren die Atome Photonen eines Lasers und emittieren sie wieder, wobei sie dabei kinetische Energie verlieren. Die Wellenlänge des Lichts ist so bemessen, dass es nur von Atomen absorbiert wird, die sich auf den Laser zubewegen. Diese Atome emittieren dann Photonen in zufällige Richtungen und kühlen so ab.

Das Team verwendete einen Laser mit einem Alexandrit-Verstärkungsmedium, das laut Camper ideal ist, da es eine große spektrale Bandbreite erzeugt, die in der Lage ist, Partikel mit einer großen Geschwindigkeitsverteilung abzukühlen. Nach dem Abkühlen wird die Temperatur der Positroniumwolke dann mit einem Sondenlaser gemessen. Das AeGIS-Team konnte die Temperatur von 380 K auf 170 K senken.

„Wir haben tatsächlich gezeigt, dass wir für die Interaktionszeit, die wir für die herkömmliche Doppler-Kühlung verwendet haben, die Grenze der Effizienz der Kühlung erreichen“, sagte Camper.

Neue Antimaterieforschung

Die Möglichkeit, Positronium auf niedrige Temperaturen abzukühlen, könnte neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Antimaterie eröffnen. Positronium ist ein guter Prüfstand für grundlegende Theorien. Hangst sagt: „Es gibt zwei Dinge, die wir in der Atomphysik wirklich verstehen sollten, eines ist Wasserstoff und das andere ist Positronium, weil sie nur zwei Körper haben.“

Mithilfe der Präzisionsspektroskopie können die Energieniveaus des Positroniumatoms bestimmt und geprüft werden, ob sie mit bestehenden QED-Vorhersagen übereinstimmen. Ebenso können die Energieniveaus von Positronium genutzt werden, um die Auswirkungen der Schwerkraft auf Antimaterie zu untersuchen.

Erstes Positroniumbild, aufgenommen während eines PET-Scans

Aber, Christopher Baker, ein ALPHA-Physiker von der Swansea University, sagt, dass Wissenschaftler noch einen langen Weg vor sich haben, bis eine präzise Spektralanalyse durchgeführt werden kann. „Um etwas Nützliches zu erhalten, müssen wir die Temperatur auf etwa 50 reduzieren“, sagte er. Das Team kann immer noch Maßnahmen ergreifen, um die Temperaturen zu senken, beispielsweise die Zielkonverter kryogen zu kühlen oder einen zweiten Laser einzusetzen.

„Ich denke, sie sind auf dem richtigen Weg, aber es wird immer schwieriger, immer kälter zu werden“, sagte Baker.

Hangst stimmt zu, dass es eine Weile dauern wird, bis die Forscher ihr „Luftwaffe“-Ziel erreichen können, ein Bose-Einstein-Kondensat aus Positronium herzustellen

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters. In einer Preprint das muss noch einem Peer-Review unterzogen werden, Kosuke Yoshioka und Kollegen von der Universität Tokio beschreiben eine neue Laserkühlungstechnik, mit der ein Positroniumgas gekühlt wurde.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/