Positroniumin aine-antimateriaalikaasu on laserjäähdytetty – Physics World

CERNin ja Tokion yliopiston tutkijoilla on itsenäisesti laserjäähdytetty positroniumpilviä. Läpimurron pitäisi helpottaa antiaineen ominaisuuksien tarkkojen mittausten tekemistä ja antaa tutkijoille mahdollisuuden tuottaa enemmän antivetyä.

Positronium on elektronin ja sen antihiukkasen positroni atomimaisesti sitoutunut tila. Aineen ja antiaineen hybridinä se on luotu laboratoriossa, jotta fyysikot voivat tutkia antiaineen ominaisuuksia. Sellaiset tutkimukset voisivat paljastaa fysiikkaa standardimallin ulkopuolella ja selittää, miksi näkyvässä maailmankaikkeudessa on paljon enemmän ainetta kuin antimateriaa.

Positronium syntyy tällä hetkellä "lämpimissä" pilvissä, joissa atomeilla on suuri nopeusjakauma. Tämä tekee tarkkuusspektroskopiasta vaikeaa, koska atomin liike myötävaikuttaa lievään Doppler-siirtymään sen emittoimassa ja absorboimassa valossa. Tuloksena on mitattujen spektriviivojen leveneminen, mikä vaikeuttaa pienten erojen havaitsemista standardimallin ennustamien spektrien ja kokeellisten havaintojen välillä.

Lisää antivetyä

"Tällä tuloksella on useita vaikutuksia", sanoo Oslon yliopisto Antoine Camper, laserfyysikko ja AEgIS:n jäsen. "Vähentämällä positroniumin nopeutta voimme itse asiassa tuottaa yhden tai kaksi suuruusluokkaa enemmän antivetyä." Antivety on positronin ja antiprotonin sisältävä antiatomi, ja se kiinnostaa suuresti fyysikoita.

Camper sanoo myös, että tutkimus tasoittaa tietä positroniumin käyttämiselle standardimallin nykyisten näkökohtien testaamiseen, kuten kvanttielektrodynamiikkaan (QED), joka ennustaa tiettyjä spektriviivoja. "On olemassa erittäin hienoja QED-efektejä, joita voit tutkia positroniumilla, koska se koostuu vain kahdesta leptonista ja on siksi erittäin herkkä sellaisille asioille kuin heikkojen voimien vuorovaikutus", hän selittää.

Ensimmäinen ehdotus vuonna 1988, positroniumin laserjäähdytyksen saavuttaminen on kestänyt vuosikymmeniä. "Positronium on todella yhteistyöhaluinen, koska se ei ole vakaa", sanoo Jeffrey Hangst Tanskan Århusin yliopistosta. Hän on CERNin vetyvastaisen kokeen ALPHA:n tiedottaja. "Se tuhoutuu 140 ns:n jälkeen ja se on kevyin atomijärjestelmä, jonka voimme tehdä, mikä tuo mukanaan joukon vaikeuksia."

Atomin lyhyt käyttöikä johtuu osittain elektronien ja positronien välisestä tuhoutumisprosessista. Tämä tarkoittaa, että laserpulssien on oltava vuorovaikutuksessa positroniumpilven kanssa nopeammin kuin positroniumin hajoaminen.

AEgIS-tiimi aloittaa jäähdytysprosessin sisällyttämällä positronipilven Penningin ansaan. Tämä käyttää staattisia sähkö- ja magneettikenttiä rajoittamaan varautuneita hiukkasia.

Sitten positronit ammutaan nanokanavaisen piimuuntimen läpi. Sironnan ja energian menettämisen jälkeen positronit sitoutuvat muuntimen pinnalla oleviin elektroneihin ja muodostavat positroniumia. Tämä vaihe toimii esijäähdytysvaiheena ennen kuin positroniumatomit kerätään tyhjiökammioon, jossa ne laserjäähdytetään.

Fotonien vuorovaikutus

Jäähdytysprosessissa atomit absorboivat ja emittoivat uudelleen fotoneja laserista ja menettävät kineettistä energiaa prosessissa. Valon aallonpituus on sellainen, että vain laseria kohti liikkuvat atomit absorboivat sen. Nämä atomit lähettävät sitten fotoneja satunnaisiin suuntiin - jäähdyttäen niitä.

Tiimi käytti laseria aleksandriittivahvistusväliaineella, mikä Camper sanoo olevan ihanteellinen, koska se tuottaa suuren spektrikaistan, joka pystyy jäähdyttämään hiukkasia suurella nopeusjakaumalla. Jäähtymisen jälkeen positroniumpilven lämpötila mitataan sitten koetinlaserilla. AeGIS-tiimi pystyi laskemaan lämpötilansa 380 K:sta 170 K:iin.

"Olemme itse asiassa osoittaneet, että saavutamme jäähdytyksen tehokkuuden rajan vuorovaikutusajalla, jota käytimme perinteisessä Doppler-jäähdytyksessä", Camper sanoi.

Uusi antimateriaalitutkimus

Positroniumin jäähdyttäminen alhaisiin lämpötiloihin voisi avata uusia tapoja tutkia antimateriaa. Positronium on hyvä testialusta perustavanlaatuisille teorioille, Hangst sanoo: "Meidän pitäisi todella ymmärtää atomifysiikassa kaksi asiaa, joista toinen on vety ja toinen positronium, koska niissä on vain kaksi kappaletta."

Tarkkuusspektroskopia voi määrittää positroniumatomin energiatasot ja nähdä, vastaavatko ne QED:n tekemiä ennusteita. Samalla tavalla positroniumin energiatasoja voidaan käyttää painovoiman vaikutusten tutkimiseen antimateriaan.

Ensimmäinen PET-skannauksen aikana tallennettu positroniumkuva

Kuitenkin, Christopher Baker, ALPHA-fyysikko Swansean yliopistosta, sanoo, että tiedemiehillä on vielä pitkä matka tehtävänä, ennen kuin tarkkuusspektrianalyysi voidaan tehdä. "Jotta saamme jotain hyödyllistä, meidän on laskettava noin 50 K", hän sanoi. Tiimi voi vielä tehdä asioita alentaakseen lämpötiloja, kuten jäähdyttää kohdemuuntimia kryogeenisesti tai tuoda sisään toisen laserin.

"Luulen, että he ovat oikealla tiellä, mutta tulee olemaan yhä vaikeampaa kylmentyä", Baker sanoi.

Hangst myöntää, että kestää jonkin aikaa ennen kuin tutkijat voivat saavuttaa "piirakkaa taivaalla" -tavoitteensa luoda Bose-Einstein-kondensaatti positroniumista

Tutkimusta kuvataan Fyysisen tarkastelun kirjaimet. Jonkin sisällä preprint jota ei ole vielä vertaisarvioitu, Kosuke Yoshioka ja kollegat Tokion yliopistosta kuvaavat uutta laserjäähdytystekniikkaa, joka on jäähdyttänyt positroniumkaasua.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/