포지트로늄의 물질-반물질 가스는 레이저 냉각됩니다 – Physics World

CERN과 도쿄 대학의 연구원들은 독립적으로 레이저 냉각된 포지트로늄 구름을 보유하고 있습니다. 이 획기적인 발전으로 인해 반물질 특성의 정밀한 측정이 더 쉬워지고 연구자들은 더 많은 반수소를 생산할 수 있게 될 것입니다.

포지트로늄은 전자와 그 반입자인 양전자가 원자처럼 결합된 상태입니다. 물질과 반물질의 혼합체로서 물리학자들이 반물질의 특성을 연구할 수 있도록 실험실에서 만들어졌습니다. 그러한 연구는 표준 모델을 넘어서는 물리학을 밝힐 수 있으며 눈에 보이는 우주에 반물질보다 물질이 훨씬 더 많은 이유를 설명할 수 있습니다.

포지트로늄은 현재 원자의 속도 분포가 큰 "따뜻한" 구름에서 생성됩니다. 이는 원자의 운동이 방출하고 흡수하는 빛의 약간의 도플러 이동에 기여하기 때문에 정밀 분광학을 어렵게 만듭니다. 그 결과 측정된 스펙트럼 선이 넓어져 표준 모델에 의해 예측된 스펙트럼과 실험적 관찰 사이의 작은 차이를 확인하기가 어려워졌습니다.

더 많은 항수소

오슬로 대학은 “이번 결과는 여러 가지 영향을 미쳤습니다.”라고 말했습니다. 앙투안 캠퍼, 레이저 물리학자이자 AEgIS 회원입니다. "포지트로늄의 속도를 줄임으로써 우리는 실제로 1~2배 더 많은 반수소를 생산할 수 있습니다." 항수소는 양전자와 반양성자로 구성된 반원자이며 물리학자들에게 큰 관심을 끌고 있습니다.

Camper는 또한 이번 연구가 특정 스펙트럼 선을 예측하는 양자 전기 역학(QED)과 같은 표준 모델의 현재 측면을 테스트하기 위해 포지트로늄을 사용할 수 있는 길을 열었다고 말했습니다. “포지트로늄은 단 두 개의 렙톤으로 구성되어 있고 약력 상호 작용과 같은 것에 매우 민감하기 때문에 포지트로늄으로 조사할 수 있는 매우 미세한 QED 효과가 있습니다.”라고 그는 설명합니다.

1988년 처음 제안된 포지트로늄의 레이저 냉각이 달성되기까지는 수십 년이 걸렸습니다. “포지트로늄은 안정적이지 않기 때문에 정말 비협조적입니다.”라고 말합니다. 제프리 행스트 덴마크 오르후스 대학교. 그는 CERN의 항수소 실험인 ALPHA의 대변인입니다. "그것은 140ns 후에 스스로 소멸하며 우리가 만들 수 있는 가장 가벼운 원자 시스템이므로 수많은 어려움을 초래합니다."

원자의 짧은 수명은 부분적으로 전자와 양전자 사이의 소멸 과정으로 인해 발생합니다. 이는 레이저 펄스가 포지트로늄 붕괴보다 더 빠르게 포지트로늄 구름과 상호작용해야 함을 의미합니다.

AEgIS 팀은 페닝 트랩에 양전자 구름을 포함시켜 냉각 과정을 시작합니다. 이는 정전기장과 자기장을 사용하여 하전 입자를 가두는 것입니다.

그런 다음 양전자는 나노채널 실리콘 변환기를 통해 발사됩니다. 산란되어 에너지를 잃은 후 양전자는 변환기 표면의 전자와 결합하여 포지트로늄을 생성합니다. 이 단계는 포지트로늄 원자가 진공 챔버에 수집되어 레이저 냉각되기 전 사전 냉각 단계로 작용합니다.

광자 상호 작용

냉각 과정에는 원자가 레이저에서 광자를 흡수하고 재방출하면서 운동 에너지를 잃는 과정이 포함됩니다. 빛의 파장은 레이저를 향해 움직이는 원자에만 흡수되는 정도입니다. 그런 다음 이 원자는 임의의 방향으로 광자를 방출하여 냉각시킵니다.

팀은 알렉산드라이트 이득 매질을 갖춘 레이저를 사용했는데, Camper는 이것이 큰 속도 분포로 입자를 냉각시킬 수 있는 큰 스펙트럼 대역폭을 생성하기 때문에 이상적이라고 말했습니다. 냉각되면 포지트로늄 구름의 온도가 프로브 레이저로 측정됩니다. AeGIS 팀은 온도를 380K에서 170K로 낮출 수 있었습니다.

Camper는 “우리는 기존의 도플러 냉각에 사용했던 상호 작용 시간 동안 냉각 효율성의 한계에 도달하고 있음을 실제로 입증했습니다.”라고 말했습니다.

새로운 반물질 연구

포지트로늄을 저온으로 냉각시키는 방법을 통해 반물질을 연구하는 새로운 방법이 열릴 수 있습니다. 포지트로늄은 기본 이론을 위한 좋은 테스트베드입니다. Hangst는 "원자 물리학에서 실제로 이해해야 할 두 가지가 있습니다. 하나는 수소이고 다른 하나는 포지트로늄입니다. 왜냐하면 두 개의 몸체만 있기 때문입니다."라고 말했습니다.

정밀 분광학은 포지트로늄 원자의 에너지 수준을 결정하고 QED의 기존 예측과 일치하는지 확인할 수 있습니다. 마찬가지로 포지트로늄의 에너지 수준은 중력이 반물질에 미치는 영향을 조사하는 데 사용될 수 있습니다.

PET 스캔 중에 기록된 최초의 포지트로늄 이미지

그러나, 크리스토퍼 베이커Swansea University의 ALPHA 물리학자인 는 과학자들이 정밀 스펙트럼 분석을 수행하려면 아직 갈 길이 멀다고 말합니다. “유용한 것을 얻으려면 약 50K로 내려갈 필요가 있습니다.”라고 그는 말했습니다. 목표 변환기를 극저온으로 냉각하거나 두 번째 레이저를 가져오는 등 온도를 낮추기 위해 팀이 할 수 있는 일이 아직 남아 있습니다.

베이커는 “나는 그들이 올바른 길을 가고 있다고 생각하지만 점점 추워지는 것이 점점 더 어려워질 것”이라고 말했다.

Hangst는 연구자들이 포지트로늄에서 보스-아인슈타인 응축물을 생성하려는 "하늘의 파이" 목표를 달성하기까지는 시간이 좀 걸릴 것이라는 데 동의합니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters). 에 프리 프린트 아직 동료 검토가 이루어지지 않았으며, 요시오카 코스케 그리고 도쿄 대학의 동료들은 포지트로늄 가스를 냉각시킨 새로운 레이저 냉각 기술을 설명합니다.

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