גז חומר-אנטי-חומר של פוזיטרוניום מקורר בלייזר - עולם הפיזיקה

לחוקרים ב-CERN ובאוניברסיטת טוקיו יש עננים מקוררים בלייזר של פוזיטרוניום. פריצת הדרך אמורה להקל על ביצוע מדידות מדויקות של תכונות האנטי-חומר ולאפשר לחוקרים לייצר יותר אנטי מימן.

פוזיטרון הוא מצב קשור דמוי אטום של אלקטרון והאנטי-חלקיק שלו הוא הפוזיטרון. כהכלאה של חומר ואנטי-חומר, הוא נוצר במעבדה כדי לאפשר לפיזיקאים לחקור תכונות של אנטי-חומר. מחקרים כאלה יכולים לחשוף פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי ויוכלו להסביר מדוע יש הרבה יותר חומר מאנטי-חומר ביקום הגלוי.

פוזיטרון נוצר כיום בעננים "חמים" שבהם לאטומים יש פיזור מהיר של מהירויות. זה מקשה על הספקטרוסקופיה המדויקת מכיוון שתנועת האטום תורמת לשינוי דופלר קל באור שהוא פולט וסופג. התוצאה היא הרחבה של הקווים הספקטרליים הנמדדים, מה שמקשה לראות הבדלים זעירים בין הספקטרום שנחזה על ידי המודל הסטנדרטי לבין תצפיות ניסוי.

יותר אנטי מימן

"יש כמה השפעות של התוצאה הזו", אומרת אוניברסיטת אוסלו אנטואן קמפר, פיזיקאי לייזר וחבר ב-AEgIS. "על ידי הפחתת מהירות הפוזיטרון, אנו יכולים למעשה לייצר יותר אנטי מימן בסדר גודל אחד או שניים." אנטי מימן הוא אנטיאטום הכולל פוזיטרון ואנטיפרוטון, ומעניין מאוד פיזיקאים.

קמפר גם אומר שהמחקר סולל את הדרך להשתמש בפוזיטרון כדי לבדוק היבטים עכשוויים של המודל הסטנדרטי, כמו אלקטרודינמיקה קוונטית (QED), המנבאת קווים ספקטרליים ספציפיים. "ישנן השפעות QED עדינות מאוד שניתן לחקור עם פוזיטרוניום מכיוון שהוא מורכב משני לפטון בלבד ולכן הוא רגיש מאוד לדברים כמו אינטראקציית הכוח החלש", הוא מסביר.

הציע לראשונה בשנת 1988, נדרשו עשרות שנים עד שקירור הלייזר של פוזיטרוניום הושג. "פוזיטרון הוא ממש לא משתף פעולה כי הוא לא יציב", אומר ג'פרי האנגסט של אוניברסיטת ארהוס בדנמרק. הוא דובר של ALPHA, ניסוי האנטי מימן ב-CERN. "זה משמיד את עצמו אחרי 140 ns וזו המערכת האטומית הקלה ביותר שאנחנו יכולים ליצור, שמביאה להרבה קשיים."

אורך החיים הקצר של האטום נובע בחלקו מתהליך ההשמדה בין אלקטרונים לפוזיטרונים. משמעות הדבר היא שפולסי לייזר חייבים לקיים אינטראקציה עם ענן הפוזיטרון מהר יותר מאשר התפרקות פוזיטרוניום.

צוות AEGIS מתחיל את תהליך הקירור על ידי הכלת ענן של פוזיטרונים במלכודת Penning. זה משתמש בשדות חשמליים ומגנטיים סטטיים כדי להגביל חלקיקים טעונים.

לאחר מכן, הפוזיטרון נורה דרך ממיר סיליקון ננו-ערוץ. לאחר פיזור ואיבוד אנרגיה, פוזיטרונים נקשרים לאלקטרונים על פני הממיר, ויוצרים פוזיטרוניום. שלב זה פועל כשלב קירור מקדים לפני איסוף אטומי הפוזיטרון בתא ואקום, שם הם מקוררים בלייזר.

אינטראקציות פוטון

תהליך הקירור כולל האטומים סופגים ופולטים מחדש פוטונים מלייזר, ומאבדים אנרגיה קינטית בתהליך. אורך הגל של האור הוא כזה שהוא נספג רק באטומים הנעים לעבר הלייזר. לאחר מכן אטומים אלה פולטים פוטונים בכיוונים אקראיים - מקררים אותם.

הצוות השתמש בלייזר עם מדיום רווח אלכסנדריט, שלדברי Camper הוא אידיאלי מכיוון שהוא מייצר רוחב פס ספקטרלי גדול המסוגל לקרר חלקיקים עם פיזור מהירות גדול. לאחר הקירור, הטמפרטורה של ענן הפוזיטרון נמדדת בלייזר בדיקה. צוות AeGIS הצליח להוריד את הטמפרטורה שלו מ-380 K ל-170 K.

"למעשה הוכחנו שאנו מגיעים לגבול היעילות של קירור במשך זמן האינטראקציה שהשתמשנו בו לקירור דופלר מסורתי", אמר קמפר.

מחקר אנטי-חומר חדש

הצלחת לקרר פוזיטרוניום לטמפרטורות נמוכות עשויה לפתוח דרכים חדשות לחקר אנטי-חומר. פוזיטרוניום הוא ערכת מבחן טובה לתיאוריות יסוד אומר האנגסט, "יש שני דברים שאנחנו צריכים להבין בפיסיקה האטומית, האחד הוא מימן והשני הוא פוזיטרוניום, כי יש להם רק שני גופים."

ספקטרוסקופיה מדויקת יכולה לקבוע את רמות האנרגיה של אטום הפוזיטרון ולראות אם הן תואמות לתחזיות קיימות שנעשו על ידי QED. באופן דומה, ניתן להשתמש ברמות האנרגיה של פוזיטרוניום כדי לחקור את השפעות כוח הכבידה על אנטי-חומר.

תמונת פוזיטרוניום ראשונה שנרשמה במהלך סריקת PET

עם זאת, כריסטופר בייקר, פיזיקאי ALPHA מאוניברסיטת סוונסי, אומר שלמדענים יש עוד דרך ארוכה לעבור עד שניתן לבצע ניתוח ספקטרלי מדויק. "כדי להשיג משהו שימושי, אנחנו צריכים לרדת לכ-50 K", אמר. יש עדיין דברים שהצוות יכול לעשות כדי להוריד טמפרטורות, כמו קירור קריוגני של ממירי המטרה או הכנסת לייזר שני.

"אני חושב שהם בדרך הנכונה, אבל זה יהיה יותר ויותר קשה להתקרר יותר ויותר", אמר בייקר.

האנגסט מסכים שיעבור זמן עד שהחוקרים יוכלו להשיג את מטרת ה"עוגה בשמיים" שלהם ליצור עיבוי Bose-Instein מתוך פוזיטרוניום

המחקר מתואר ב מכתבי סקירה פיזית. ב הדפסה מראש שעדיין לא עבר ביקורת עמיתים, קוסוקה יושיוקה ועמיתים מאוניברסיטת טוקיו מתארים טכניקת קירור לייזר חדשה שקיררה גז פוזיטרוניום.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/