Gas positronium materi-antimateri didinginkan dengan laser – Dunia Fisika

Para peneliti di CERN dan Universitas Tokyo secara independen memiliki awan positronium yang didinginkan dengan laser. Terobosan ini seharusnya mempermudah pengukuran sifat antimateri secara presisi dan memungkinkan peneliti memproduksi lebih banyak antihidrogen.

Positronium adalah keadaan terikat seperti atom dari sebuah elektron dan antipartikelnya adalah positron. Sebagai gabungan materi dan antimateri, ia dibuat di laboratorium untuk memungkinkan fisikawan mempelajari sifat antimateri. Studi semacam itu dapat mengungkap fisika di luar Model Standar dan dapat menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak materi daripada antimateri di alam semesta yang terlihat.

Positronium saat ini tercipta di awan “hangat” di mana atom-atomnya memiliki distribusi kecepatan yang besar. Hal ini membuat spektroskopi presisi menjadi sulit karena gerakan atom berkontribusi terhadap sedikit pergeseran Doppler pada cahaya yang dipancarkan dan diserapnya. Hasilnya adalah perluasan garis spektral yang diukur, sehingga sulit untuk melihat perbedaan kecil antara spektrum yang diprediksi oleh Model Standar dan observasi eksperimental.

Lebih antihidrogen

“Ada beberapa dampak dari hasil ini,” kata Universitas Oslo Antoine Camper, seorang fisikawan laser dan anggota AEgIS. “Dengan mengurangi kecepatan positronium, kita sebenarnya dapat menghasilkan antihidrogen satu atau dua kali lipat lebih banyak.” Antihidrogen adalah antiatom yang terdiri dari positron dan antiproton, dan sangat menarik bagi fisikawan.

Camper juga mengatakan bahwa penelitian ini membuka jalan untuk menggunakan positronium untuk menguji aspek Model Standar saat ini, seperti elektrodinamika kuantum (QED), yang memprediksi garis spektrum tertentu. “Ada efek QED yang sangat halus yang dapat Anda selidiki dengan positronium karena positronium hanya terdiri dari dua lepton sehingga sangat sensitif terhadap hal-hal seperti interaksi gaya lemah,” jelasnya.

Pertama kali diusulkan pada tahun 1988, diperlukan waktu puluhan tahun untuk mencapai pendinginan laser positronium. “Positronium benar-benar tidak kooperatif karena tidak stabil,” katanya Jeffrey Hangst dari Universitas Aarhus Denmark. Dia adalah juru bicara ALPHA, eksperimen antihidrogen di CERN. “Ia memusnahkan dirinya sendiri setelah 140 ns dan ini adalah sistem atom paling ringan yang bisa kita buat, yang menimbulkan banyak kesulitan.”

Masa hidup atom yang pendek sebagian disebabkan oleh proses pemusnahan antara elektron dan positron. Artinya, pulsa laser harus berinteraksi dengan awan positronium lebih cepat daripada peluruhan positronium.

Tim AEgIS memulai proses pendinginan dengan memasukkan awan positron ke dalam perangkap Penning. Ini menggunakan medan listrik dan magnet statis untuk membatasi partikel bermuatan.

Kemudian, positron ditembakkan melalui konverter silikon saluran nano. Setelah hamburan dan kehilangan energi, positron berikatan dengan elektron pada permukaan konverter, menghasilkan positronium. Tahap ini bertindak sebagai tahap pra-pendinginan sebelum atom positronium dikumpulkan dalam ruang vakum, tempat atom tersebut didinginkan dengan laser.

Interaksi foton

Proses pendinginan melibatkan atom yang menyerap dan memancarkan kembali foton dari laser, sehingga kehilangan energi kinetik dalam prosesnya. Panjang gelombang cahaya sedemikian rupa sehingga hanya diserap oleh atom-atom yang bergerak menuju laser. Atom-atom ini kemudian memancarkan foton ke arah acak – mendinginkannya.

Tim menggunakan laser dengan media penguatan alexandrite, yang menurut Camper ideal karena menghasilkan bandwidth spektral besar yang mampu mendinginkan partikel dengan distribusi kecepatan besar. Setelah didinginkan, suhu awan positronium kemudian diukur dengan laser probe. Tim AeGIS mampu menurunkan suhunya dari 380 K menjadi 170 K.

“Kami sebenarnya telah menunjukkan bahwa kami mencapai batas efisiensi pendinginan untuk waktu interaksi yang kami gunakan untuk pendinginan Doppler tradisional,” kata Camper.

Penelitian antimateri baru

Mengelola pendinginan positronium ke suhu rendah dapat membuka cara baru untuk mempelajari antimateri. Positronium adalah bahan uji yang bagus untuk teori fundamental. Hangst berkata, “Ada dua hal yang harus benar-benar kita pahami dalam fisika atom, yang pertama adalah hidrogen dan yang lainnya adalah positronium, karena keduanya hanya mempunyai dua benda.”

Spektroskopi presisi dapat menentukan tingkat energi atom positronium, dan melihat apakah cocok dengan prediksi yang dibuat oleh QED. Demikian pula, tingkat energi positronium dapat digunakan untuk menyelidiki efek gravitasi pada antimateri.

Gambar positronium pertama yang direkam selama pemindaian PET

Namun, Christopher Baker, fisikawan ALPHA dari Swansea University, mengatakan bahwa jalan yang harus ditempuh para ilmuwan masih panjang sebelum analisis spektral yang presisi dapat dilakukan. “Untuk mendapatkan sesuatu yang bermanfaat, kita perlu turunkan menjadi sekitar 50 K,” ujarnya. Masih ada beberapa hal yang dapat dilakukan tim untuk menurunkan suhu, seperti mendinginkan konverter target secara kriogenik atau menggunakan laser kedua.

“Saya pikir mereka berada di jalur yang benar, namun akan semakin sulit untuk menjadi semakin dingin,” kata Baker.

Hangst setuju bahwa perlu waktu lama sebelum para peneliti dapat mencapai tujuan “pie in the sky” mereka dalam menciptakan kondensat Bose-Einstein dari positronium.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Physical Review Letters. Dalam pracetak yang belum ditinjau oleh rekan sejawat, Kosuke Yoshioka dan rekannya di Universitas Tokyo menjelaskan teknik pendinginan laser baru yang telah mendinginkan gas positronium.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/