A pozitrónium anyag-antianyag gáza lézerhűtéses – Fizikai világ

A pozitrónium anyag-antianyag gáza lézerhűtéses – Fizikai világ

Időbélyeg: 1. március 2024. 11:07


Pozitronium kísérlet a CERN-ben
Cool kísérlet: az AEgIS csapata által a pozitrónium lézerhűtésére használt készülék. (Jóvolt: CERN)

A CERN és a Tokiói Egyetem kutatói egymástól függetlenül lézerhűtésű pozitróniumfelhőkkel rendelkeznek. Az áttörés megkönnyíti az antianyag tulajdonságainak precíziós mérését, és lehetővé teszi a kutatók számára, hogy több antihidrogént állítsanak elő.

A pozitrónium egy elektron atomszerűen kötött állapota, antirészecskéje pedig a pozitron. Az anyag és az antianyag hibridjeként a laboratóriumban hozzák létre, hogy lehetővé tegye a fizikusok számára az antianyag tulajdonságainak tanulmányozását. Az ilyen tanulmányok a standard modellen túlmutató fizikát is feltárhatnak, és megmagyarázhatják, miért van sokkal több anyag, mint antianyag a látható univerzumban.

A pozitrónium jelenleg „meleg” felhőkben jön létre, amelyekben az atomok nagy sebesség-eloszlással rendelkeznek. Ez megnehezíti a precíziós spektroszkópiát, mivel az atom mozgása hozzájárul az általa kibocsátott és elnyelt fény enyhe Doppler-eltolódásához. Az eredmény a mért spektrumvonalak kiszélesedése, ami megnehezíti a Standard Modell által előrejelzett spektrumok és a kísérleti megfigyelések közötti apró különbségek észlelését.

Több antihidrogén

„Ennek az eredménynek számos hatása van” – mondja az Oslói Egyetem Antoine Camperlézerfizikus és az AEgIS tagja. "A pozitrónium sebességének csökkentésével egy vagy két nagyságrenddel több antihidrogént tudunk előállítani." Az antihidrogén egy pozitronból és egy antiprotonból álló antiatom, és nagy érdeklődésre tart számot a fizikusok számára.

Camper azt is elmondja, hogy a kutatás megnyitja az utat a pozitrónium használatához a standard modell jelenlegi aspektusainak tesztelésére, mint például a kvantumelektrodinamika (QED), amely meghatározott spektrumvonalakat jósol. „Vannak nagyon finom QED-effektusok, amelyeket pozitróniummal meg lehet vizsgálni, mivel az csak két leptonból áll, és ezért nagyon érzékeny az olyan dolgokra, mint például a gyenge erőkölcsönhatás” – magyarázza.

Az első 1988-as javaslat szerint évtizedekbe telt a pozitrónium lézeres hűtése. „A pozitrónium valóban nem együttműködő, mert nem stabil” – mondja Jeffrey Hangst a dán Aarhusi Egyetemen. Ő az ALPHA, a CERN antihidrogén-kísérletének szóvivője. "140 ns után megsemmisíti önmagát, és ez a legkönnyebb atomrendszer, amit létrehozhatunk, ami egy csomó nehézséget okoz."

Az atom rövid élettartama részben az elektronok és pozitronok közötti annihilációs folyamatnak köszönhető. Ez azt jelenti, hogy a lézerimpulzusoknak gyorsabban kell kölcsönhatásba lépniük a pozitróniumfelhővel, mint a pozitrónium bomlása.

Az AEgIS csapata úgy kezdi meg a hűtési folyamatot, hogy egy Penning-csapdába helyezi a pozitronfelhőt. Ez statikus elektromos és mágneses mezőket használ a töltött részecskék korlátozására.

Ezután a pozitronokat átlövik egy nanocsatornás szilícium konverteren. A szóródás és az energiavesztés után a pozitronok az átalakító felületén lévő elektronokhoz kötődnek, pozitroniumot hozva létre. Ez a szakasz előhűtési lépésként működik, mielőtt a pozitróniumatomokat egy vákuumkamrába gyűjtik, ahol lézeres hűtést végeznek.

Fotonkölcsönhatások

A hűtési folyamat során az atomok elnyelik és újra kibocsátják a lézerből származó fotonokat, és a folyamat során elveszítik a kinetikus energiát. A fény hullámhossza olyan, hogy csak a lézer felé haladó atomok nyeljék el. Ezek az atomok aztán véletlenszerű irányban bocsátanak ki fotonokat – lehűtik őket.

A csapat alexandrit erősítő közeggel ellátott lézert használt, ami Camper szerint ideális, mert nagy spektrális sávszélességet produkál, amely képes nagy sebességeloszlású részecskék hűtésére. Lehűlés után a pozitróniumfelhő hőmérsékletét szondalézerrel mérik. Az AeGIS csapata 380 K-ról 170 K-ra tudta csökkenteni a hőmérsékletét.

„Tulajdonképpen bebizonyítottuk, hogy elérjük a hűtés hatékonyságának határát a hagyományos Doppler-hűtéshez használt interakciós idő alatt” – mondta Camper.

Új antianyag-kutatás

A pozitrónium alacsony hőmérsékletre hűtése új módokat nyithat meg az antianyag tanulmányozására. Hangst szerint a pozitrónium jó tesztlap az alapvető elméletekhez: „Két dolgot kell igazán megértenünk az atomfizikában: az egyik a hidrogén, a másik a pozitrónium, mivel csak két testük van.”

A precíziós spektroszkópia képes meghatározni a pozitrónium atom energiaszintjét, és megnézni, hogy megfelelnek-e a QED meglévő előrejelzéseinek. Hasonlóképpen, a pozitrónium energiaszintjei felhasználhatók a gravitáció antianyagra gyakorolt ​​hatásának vizsgálatára.

Azonban, Christopher Baker, a Swansea Egyetem ALPHA fizikusa szerint a tudósoknak még hosszú utat kell megtenniük a precíziós spektrális elemzésig. „Ahhoz, hogy valami hasznosat kapjunk, körülbelül 50 K-ra kell csökkennünk” – mondta. A csapat még mindig megteheti a hőmérséklet csökkentését, például a célkonverterek kriogén hűtését vagy egy második lézer bevezetését.

„Úgy gondolom, hogy jó úton haladnak, de egyre nehezebb lesz egyre hidegebbé válni” – mondta Baker.

Hangst egyetért azzal, hogy eltelik egy kis idő, amíg a kutatók elérhetik „pite az égben” céljukat, miszerint Bose–Einstein kondenzátumot hoznak létre pozitróniumból.

A kutatás leírása a Fizikai áttekintés betűk. egy előnyomtatás amelyet még szakértői értékelésre várnak, Kosuke Yoshioka és munkatársai a Tokiói Egyetemen egy új lézeres hűtési technikát írnak le, amely pozitróniumgázt hűt le.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa