Le gaz matière-antimatière de positronium est refroidi par laser – Physics World

Des chercheurs du CERN et de l'Université de Tokyo ont indépendamment refroidi des nuages ​​de positronium par laser. Cette avancée devrait faciliter la réalisation de mesures précises des propriétés de l’antimatière et permettre aux chercheurs de produire davantage d’antihydrogène.

Le positronium est un état lié semblable à un atome d'un électron et de son antiparticule le positon. En tant qu'hybride de matière et d'antimatière, il est créé en laboratoire pour permettre aux physiciens d'étudier les propriétés de l'antimatière. De telles études pourraient révéler une physique au-delà du modèle standard et expliquer pourquoi il y a beaucoup plus de matière que d’antimatière dans l’univers visible.

Le positronium est actuellement créé dans des nuages ​​« chauds » dans lesquels les atomes ont une large distribution de vitesses. Cela rend la spectroscopie de précision difficile car le mouvement d'un atome contribue à un léger décalage Doppler de la lumière qu'il émet et absorbe. Le résultat est un élargissement des raies spectrales mesurées, ce qui rend difficile la détection d'éventuelles différences minimes entre les spectres prédits par le modèle standard et les observations expérimentales.

Plus d'antihydrogène

"Ce résultat a plusieurs impacts", déclare le professeur de l'Université d'Oslo. Antoine Campeur, physicien des lasers et membre de l'AEgIS. "En réduisant la vitesse du positronium, nous pouvons en fait produire un ou deux ordres de grandeur en plus d'antihydrogène." L'antihydrogène est un antiatome comprenant un positron et un antiproton et présente un grand intérêt pour les physiciens.

Camper dit également que la recherche ouvre la voie à l'utilisation du positronium pour tester les aspects actuels du modèle standard, comme l'électrodynamique quantique (QED), qui prédit des raies spectrales spécifiques. "Il existe des effets QED très fins que vous pouvez sonder avec le positronium, car il est composé de seulement deux leptons et est donc très sensible à des éléments tels que l'interaction de force faible", explique-t-il.

Proposé pour la première fois en 1988, il a fallu des décennies pour réaliser le refroidissement laser du positronium. "Le positronium est vraiment peu coopératif car il n'est pas stable", explique Jeffrey Hangst de l'Université d'Aarhus au Danemark. Il est porte-parole d'ALPHA, l'expérience sur l'antihydrogène du CERN. "Il s'annihile après 140 ns et c'est le système atomique le plus léger que nous puissions fabriquer, ce qui entraîne toute une série de difficultés."

La courte durée de vie de l’atome est en partie due au processus d’annihilation entre les électrons et les positons. Cela signifie que les impulsions laser doivent interagir avec le nuage de positronium plus rapidement que la désintégration du positronium.

L'équipe AEgIS commence le processus de refroidissement en confinant un nuage de positrons dans un piège de Penning. Celui-ci utilise des champs électriques et magnétiques statiques pour confiner les particules chargées.

Ensuite, les positrons sont projetés à travers un convertisseur en silicium à nanocanaux. Après s'être diffusés et avoir perdu de l'énergie, les positrons se lient aux électrons à la surface du convertisseur, créant ainsi du positronium. Cette étape agit comme une étape de pré-refroidissement avant que les atomes de positronium ne soient collectés dans une chambre à vide, où ils sont refroidis au laser.

Interactions photoniques

Le processus de refroidissement implique que les atomes absorbent et réémettent des photons provenant d’un laser, perdant ainsi de l’énergie cinétique. La longueur d’onde de la lumière est telle qu’elle n’est absorbée que par les atomes se dirigeant vers le laser. Ces atomes émettent ensuite des photons dans des directions aléatoires, les refroidissant ainsi.

L’équipe a utilisé un laser avec un milieu de gain alexandrite, qui, selon Camper, est idéal car il produit une large bande passante spectrale capable de refroidir les particules avec une large distribution de vitesse. Une fois refroidi, la température du nuage de positronium est ensuite mesurée avec une sonde laser. L'équipe AeGIS a pu réduire sa température de 380 K à 170 K.

"Nous avons en fait démontré que nous atteignons la limite d'efficacité du refroidissement pour le temps d'interaction que nous utilisions pour le refroidissement Doppler traditionnel", a déclaré Camper.

Nouvelle recherche sur l'antimatière

Parvenir à refroidir le positronium à basse température pourrait ouvrir la voie à de nouvelles voies d’étude de l’antimatière. Le positronium est un bon banc d'essai pour les théories fondamentales. Selon Hangst, "il y a deux choses que nous devrions vraiment comprendre en physique atomique, l'une est l'hydrogène et l'autre le positronium, car ils n'ont que deux corps."

La spectroscopie de précision peut déterminer les niveaux d'énergie de l'atome de positronium et voir s'ils correspondent aux prédictions existantes faites par QED. De même, les niveaux d’énergie du positronium peuvent être utilisés pour sonder les effets de la gravité sur l’antimatière.

Première image de positronium enregistrée lors d'un PET scan

Toutefois, Christopher Baker, physicien ALPHA de l'Université de Swansea, affirme que les scientifiques ont encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir réaliser une analyse spectrale de précision. "Pour obtenir quelque chose d'utile, nous devons descendre à environ 50 XNUMX", a-t-il déclaré. L’équipe peut encore faire certaines choses pour faire baisser les températures, comme refroidir cryogéniquement les convertisseurs cibles ou installer un deuxième laser.

"Je pense qu'ils sont sur la bonne voie, mais il va être de plus en plus difficile de faire de plus en plus froid", a déclaré Baker.

Hangst convient qu'il faudra un certain temps avant que les chercheurs puissent atteindre leur objectif de création d'un condensat de Bose-Einstein à partir de positronium.

La recherche est décrite dans Physical Review Letters. Dans un pré-impression qui n'a pas encore été examiné par les pairs, Kosuke Yoshioka et des collègues de l'Université de Tokyo décrivent une nouvelle technique de refroidissement par laser qui a refroidi un gaz de positronium.

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