Positrooniumi aine-antiainegaas on laserjahutusega – füüsikamaailm

CERNi ja Tokyo ülikooli teadlastel on iseseisvalt laseriga jahutatud positrooniumipilved. Läbimurre peaks hõlbustama antiaine omaduste täppismõõtmist ja võimaldama teadlastel toota rohkem antivesinikku.

Positroonium on elektroni ja selle antiosakese positroni aatomitaoline seotud olek. Aine ja antiaine hübriidina luuakse see laboris, et võimaldada füüsikutel uurida antiaine omadusi. Sellised uuringud võivad paljastada standardmudelist kaugemale jääva füüsika ja selgitada, miks nähtavas universumis on palju rohkem ainet kui antiainet.

Positronium luuakse praegu "soojades" pilvedes, milles aatomitel on suur kiiruste jaotus. See muudab täppisspektroskoopia keeruliseks, kuna aatomi liikumine aitab kaasa kergele Doppleri nihkele valguses, mida see kiirgab ja neelab. Tulemuseks on mõõdetud spektrijoonte laienemine, mistõttu on raske näha standardmudeli ja eksperimentaalsete vaatluste vahel ennustatud spektrite väikseid erinevusi.

Rohkem antivesinikku

"Sellel tulemusel on mitu mõju, " ütleb Oslo ülikool Antoine Camper, laserfüüsik ja AEgIS-i liige. "Positooniumi kiirust vähendades saame tegelikult toota ühe või kaks suurusjärku rohkem antivesinikku." Antivesinik on positronist ja antiprootonist koosnev antiaatom ning pakub füüsikutele suurt huvi.

Camper ütleb ka, et uuringud sillutavad teed positrooniumi kasutamiseks standardmudeli praeguste aspektide testimiseks, nagu kvantelektrodünaamika (QED), mis ennustavad konkreetseid spektrijooni. "Seal on väga peeneid QED-efekte, mida saate positrooniumiga uurida, kuna see koosneb ainult kahest leptonist ja on seetõttu väga tundlik selliste asjade suhtes nagu nõrkade jõudude koostoime," selgitab ta.

Esimene ettepanek tehti 1988. aastal. Positooniumi laserjahutuse saavutamine on võtnud aastakümneid. "Positronium on tõesti koostöövõimetu, kuna see ei ole stabiilne," ütleb Jeffrey Hangst Taani Århusi ülikoolist. Ta on CERNi vesinikuvastase katse ALPHA pressiesindaja. "See hävitab end 140 ns pärast ja see on kõige kergem aatomisüsteem, mida saame luua, mis toob kaasa terve hulga raskusi."

Aatomi lühike eluiga on osaliselt tingitud elektronide ja positronite vahelisest annihilatsiooniprotsessist. See tähendab, et laserimpulssid peavad positrooniumipilvega suhtlema kiiremini kui positrooniumi lagunemine.

AEgIS-i meeskond alustab jahutusprotsessi, hoides Penningi lõksus positronipilve. See kasutab laetud osakeste piiramiseks staatilisi elektri- ja magnetvälju.

Seejärel lastakse positronid läbi nanokanaliga ränimuunduri. Pärast energia hajumist ja kaotamist seostuvad positronid muunduri pinnal olevate elektronidega, luues positrooniumi. See etapp toimib eeljahutusetapina, enne kui positrooniumi aatomid kogutakse vaakumkambrisse, kus neid laseriga jahutatakse.

Footonite vastastikmõjud

Jahutusprotsess hõlmab aatomite neelamist ja kiirgamist laserist footoneid, kaotades protsessis kineetilise energia. Valguse lainepikkus on selline, et seda neelavad ainult laseri suunas liikuvad aatomid. Seejärel kiirgavad need aatomid footoneid juhuslikes suundades – jahutades neid maha.

Meeskond kasutas aleksandriidi võimenduskeskkonnaga laserit, mis Camperi sõnul on ideaalne, kuna see tekitab suure spektririba, mis suudab jahutada suure kiirusjaotusega osakesi. Pärast jahutamist mõõdetakse positrooniumipilve temperatuuri sondilaseriga. AeGIS-i meeskond suutis oma temperatuuri alandada 380 K-lt 170 K-ni.

"Oleme tegelikult näidanud, et jõuame traditsioonilise Doppleri jahutuse jaoks kasutatava interaktsiooniaja jahutuse efektiivsuse piirini, " ütles Camper.

Uus antiaine uuring

Positooniumi jahutamine madalale temperatuurile võib avada uudseid viise antiaine uurimiseks. Positronium on hea katsealus fundamentaalsete teooriate jaoks. Hangst ütleb: "Aatomifüüsikas peaksime mõistma kahte asja, üks on vesinik ja teine ​​positroonium, kuna neil on ainult kaks keha."

Täppisspektroskoopia abil saab määrata positrooniumi aatomi energiatasemeid ja näha, kas need vastavad QEDi tehtud olemasolevatele ennustustele. Samamoodi saab positrooniumi energiatasemeid kasutada gravitatsiooni mõju uurimiseks antiainele.

Esimene PET-skaneerimise käigus salvestatud positrooniumipilt

Kuid Christopher Baker, Swansea ülikooli ALPHA füüsik, ütleb, et teadlastel on veel pikk tee minna, enne kui täppisspektraalanalüüsi saab teha. "Et midagi kasulikku saada, peame langema umbes 50 K-ni," ütles ta. Meeskond saab veel asju temperatuuri alandamiseks teha, näiteks sihtmuundurite krüogeenne jahutamine või teise laseri toomine.

"Ma arvan, et nad on õigel teel, kuid järjest külmemaks muutumine läheb järjest keerulisemaks," sõnas Baker.

Hangst nõustub, et läheb veidi aega, enne kui teadlased suudavad saavutada oma "taevapiruka" eesmärgi luua positrooniumist Bose-Einsteini kondensaat.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Physical Review Letters. Sees eeltrükk mis tuleb veel eksperthinnangusse anda, Kosuke Yoshioka ja kolleegid Tokyo ülikoolist kirjeldavad uut laserjahutustehnikat, mis on jahutanud positrooniumi gaasi.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/