Il gas materia-antimateria del positronio è raffreddato al laser – Physics World

I ricercatori del CERN e dell'Università di Tokyo hanno sviluppato in modo indipendente nubi di positronio raffreddate al laser. La svolta dovrebbe rendere più semplice effettuare misurazioni precise delle proprietà dell’antimateria e consentire ai ricercatori di produrre più antiidrogeno.

Il positronio è uno stato legato simile ad un atomo di un elettrone e della sua antiparticella, il positrone. Essendo un ibrido di materia e antimateria, viene creato in laboratorio per consentire ai fisici di studiare le proprietà dell'antimateria. Tali studi potrebbero rivelare la fisica oltre il Modello Standard e spiegare perché nell’universo visibile c’è molta più materia che antimateria.

Il positronio viene attualmente creato in nubi “calde” in cui gli atomi hanno un’ampia distribuzione di velocità. Ciò rende difficile la spettroscopia di precisione perché il movimento di un atomo contribuisce a un leggero spostamento Doppler nella luce che emette e assorbe. Il risultato è un allargamento delle linee spettrali misurate, rendendo difficile vedere eventuali piccole differenze tra gli spettri previsti dal Modello Standard e le osservazioni sperimentali.

Più antiidrogeno

"Ci sono diversi impatti di questo risultato", dice l'Università di Oslo Antonio Camper, fisico del laser e membro dell'AEgIS. “Riducendo la velocità del positronio, possiamo effettivamente produrre uno o due ordini di grandezza in più di antiidrogeno”. L'antiidrogeno è un antiatomo comprendente un positrone e un antiprotone ed è di grande interesse per i fisici.

Camper afferma inoltre che la ricerca apre la strada all’utilizzo del positronio per testare gli aspetti attuali del Modello Standard, come l’elettrodinamica quantistica (QED), che prevede linee spettrali specifiche. "Ci sono effetti QED molto fini che puoi sondare con il positronio perché è composto solo da due leptoni e quindi è molto sensibile a cose come l'interazione della forza debole", spiega.

Proposto per la prima volta nel 1988, ci sono voluti decenni per ottenere il raffreddamento laser del positronio. "Il positronio è davvero poco collaborativo perché non è stabile", afferma Jeffrey Hangst dell'Università danese di Aarhus. È portavoce di ALPHA, l'esperimento sull'antiidrogeno del CERN. "Si annichila dopo 140 ns ed è il sistema atomico più leggero che possiamo realizzare, il che comporta tutta una serie di difficoltà."

La breve vita dell'atomo è in parte dovuta al processo di annichilazione tra elettroni e positroni. Ciò significa che gli impulsi laser devono interagire con la nube di positronio più velocemente di quanto il positronio decada.

Il team AEgIS inizia il processo di raffreddamento contenendo una nuvola di positroni in una trappola di Penning. Questo utilizza campi elettrici e magnetici statici per confinare le particelle cariche.

Quindi, i positroni vengono sparati attraverso un convertitore di silicio a nanocanali. Dopo la dispersione e la perdita di energia, i positroni si legano agli elettroni sulla superficie del convertitore, creando positronio. Questa fase funge da fase di preraffreddamento prima che gli atomi di positronio vengano raccolti in una camera a vuoto, dove vengono raffreddati tramite laser.

Interazioni tra fotoni

Il processo di raffreddamento prevede che gli atomi assorbano e riemettano fotoni da un laser, perdendo energia cinetica nel processo. La lunghezza d'onda della luce è tale che viene assorbita solo dagli atomi che si muovono verso il laser. Questi atomi emettono quindi fotoni in direzioni casuali, raffreddandoli.

Il team ha utilizzato un laser con un mezzo di guadagno alessandrite, che secondo Camper è ideale perché produce un’ampia larghezza di banda spettrale in grado di raffreddare le particelle con un’ampia distribuzione di velocità. Una volta raffreddata, la temperatura della nube di positronio viene poi misurata con una sonda laser. Il team AeGIS è riuscito a ridurne la temperatura da 380 K a 170 K.

"Abbiamo effettivamente dimostrato che stiamo raggiungendo il limite di efficienza del raffreddamento per il tempo di interazione che abbiamo utilizzato per il tradizionale raffreddamento Doppler", ha affermato Camper.

Nuova ricerca sull'antimateria

Riuscire a raffreddare il positronio a basse temperature potrebbe aprire nuovi modi per studiare l’antimateria. Il positronio è un buon banco di prova per le teorie fondamentali. Hangst dice: "Ci sono due cose che dovremmo veramente capire nella fisica atomica, una è l'idrogeno e l'altra è il positronio, perché hanno solo due corpi".

La spettroscopia di precisione può determinare i livelli di energia dell’atomo di positronio e vedere se corrispondono alle previsioni esistenti fatte da QED. Allo stesso modo, i livelli energetici del positronio possono essere utilizzati per sondare gli effetti della gravità sull’antimateria.

Prima immagine di positronio registrata durante una scansione PET

Però, i Christopher Baker, un fisico ALPHA dell'Università di Swansea, afferma che gli scienziati hanno ancora molta strada da fare prima di poter effettuare un'analisi spettrale di precisione. "Per ottenere qualcosa di utile, dobbiamo scendere a circa 50", ha detto. Ci sono ancora cose che il team può fare per abbassare le temperature, come il raffreddamento criogenico dei convertitori target o l’introduzione di un secondo laser.

"Penso che siano sulla strada giusta, ma sarà sempre più difficile diventare sempre più freddi", ha detto Baker.

Hangst concorda sul fatto che ci vorrà del tempo prima che i ricercatori possano raggiungere il loro obiettivo “torta nel cielo” di creare un condensato di Bose-Einstein dal positronio

La ricerca è descritta in Physical Review Letters. In un preprint che deve ancora essere sottoposto a revisione paritaria, Kosuke Yoshioka e colleghi dell'Università di Tokyo descrivono una nuova tecnica di raffreddamento laser che ha raffreddato un gas di positronio.

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