Materie-antimateriegas van positronium wordt lasergekoeld – Physics World

Onderzoekers van CERN en de Universiteit van Tokio hebben onafhankelijk lasergekoelde positroniumwolken. De doorbraak zou het gemakkelijker moeten maken om nauwkeurige metingen van de eigenschappen van antimaterie uit te voeren en onderzoekers in staat te stellen meer antiwaterstof te produceren.

Positronium is een atoomachtige gebonden toestand van een elektron en zijn antideeltje het positron. Als een hybride van materie en antimaterie wordt het in het laboratorium gemaakt zodat natuurkundigen de eigenschappen van antimaterie kunnen bestuderen. Dergelijke studies zouden natuurkunde kunnen onthullen die verder reikt dan het standaardmodel en zouden kunnen verklaren waarom er veel meer materie dan antimaterie in het zichtbare universum is.

Positronium ontstaat momenteel in ‘warme’ wolken waarin de atomen een grote snelheidsverdeling hebben. Dit maakt de precisiespectroscopie moeilijk omdat de beweging van een atoom bijdraagt ​​aan een kleine Dopplerverschuiving in het licht dat het uitstraalt en absorbeert. Het resultaat is een verbreding van de gemeten spectraallijnen, waardoor het moeilijk wordt om kleine verschillen te zien tussen de spectra voorspeld door het standaardmodel en experimentele waarnemingen.

Meer anti-waterstof

“Dit resultaat heeft verschillende gevolgen”, zegt de Universiteit van Oslo Antoine Camper, een laserfysicus en lid van AEgIS. “Door de snelheid van positronium te verlagen, kunnen we feitelijk een of twee ordes van grootte meer antiwaterstof produceren.” Antiwaterstof is een antiatoom dat een positron en een antiproton omvat, en is van groot belang voor natuurkundigen.

Camper zegt ook dat het onderzoek de weg vrijmaakt voor het gebruik van positronium om de huidige aspecten van het standaardmodel te testen, zoals de kwantumelektrodynamica (QED), die specifieke spectraallijnen voorspellen. "Er zijn hele fijne QED-effecten die je kunt onderzoeken met positronium, omdat het uit slechts twee leptonen bestaat en dus erg gevoelig is voor zaken als de interactie van zwakke krachten", legt hij uit.

Voor het eerst voorgesteld in 1988, heeft het tientallen jaren geduurd voordat de laserkoeling van positronium werd bereikt. “Positronium werkt niet echt mee omdat het niet stabiel is”, zegt hij Jeffrey Hangst van de Deense universiteit van Aarhus. Hij is woordvoerder van ALPHA, het antiwaterstofexperiment op CERN. “Het vernietigt zichzelf na 140 ns en het is het lichtste atomaire systeem dat we kunnen maken, wat een hele reeks problemen met zich meebrengt.”

De korte levensduur van het atoom is gedeeltelijk te wijten aan het vernietigingsproces tussen elektronen en positronen. Dit betekent dat laserpulsen sneller met de positroniumwolk moeten interageren dan positronium vervalt.

Het AEgIS-team begint het koelproces door een wolk van positronen in een Penning-val op te sluiten. Hierbij wordt gebruik gemaakt van statische elektrische en magnetische velden om geladen deeltjes op te sluiten.

Vervolgens worden de positronen door een siliciumconverter met nanokanalen geschoten. Na verstrooiing en energieverlies binden positronen zich aan elektronen op het oppervlak van de converter, waardoor positronium ontstaat. Deze fase fungeert als een voorkoelstap voordat de positroniumatomen worden verzameld in een vacuümkamer, waar ze lasergekoeld worden.

Foton-interacties

Bij het afkoelingsproces absorberen en emitteren de atomen fotonen van een laser, waarbij kinetische energie verloren gaat. De golflengte van het licht is zodanig dat het alleen wordt geabsorbeerd door atomen die naar de laser toe bewegen. Deze atomen zenden vervolgens fotonen uit in willekeurige richtingen, waardoor ze afkoelen.

Het team gebruikte een laser met een alexandrietversterkingsmedium, wat volgens Camper ideaal is omdat deze een grote spectrale bandbreedte produceert die deeltjes met een grote snelheidsverdeling kan afkoelen. Eenmaal afgekoeld wordt de temperatuur van de positroniumwolk vervolgens gemeten met een sondelaser. Het AeGIS-team kon de temperatuur verlagen van 380 K naar 170 K.

“We hebben feitelijk aangetoond dat we de limiet van de efficiëntie van koeling bereiken voor de interactietijd die we gebruikten voor traditionele Doppler-koeling”, aldus Camper.

Nieuw antimaterieonderzoek

Het lukt om positronium tot lage temperaturen af ​​te koelen zou nieuwe manieren kunnen openen om antimaterie te bestuderen. Positronium is een goed proeftuin voor fundamentele theorieën. Hangst zegt: ‘Er zijn twee dingen die we echt moeten begrijpen in de atoomfysica: het ene is waterstof en het andere is positronium, omdat ze maar twee lichamen hebben.’

Precisiespectroscopie kan de energieniveaus van het positroniumatoom bepalen en kijken of deze overeenkomen met bestaande voorspellingen van QED. Op dezelfde manier kunnen de energieniveaus van positronium worden gebruikt om de effecten van de zwaartekracht op antimaterie te onderzoeken.

Eerste positroniumbeeld opgenomen tijdens een PET-scan

Echter, Christopher Baker, een ALPHA-natuurkundige van de Universiteit van Swansea, zegt dat wetenschappers nog een lange weg te gaan hebben voordat nauwkeurige spectraalanalyse kan worden uitgevoerd. “Om iets nuttigs te krijgen, moeten we tot ongeveer 50 komen”, zei hij. Er zijn nog steeds dingen die het team kan doen om de temperatuur omlaag te brengen, zoals het cryogeen koelen van de doelconverters of het inzetten van een tweede laser.

“Ik denk dat ze op de goede weg zijn, maar het zal steeds moeilijker worden om het steeds kouder te krijgen”, aldus Baker.

Hangst is het ermee eens dat het nog een tijdje zal duren voordat onderzoekers hun ‘taart in de lucht’-doel kunnen bereiken: het creëren van een Bose-Einstein-condensaat uit positronium.

Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters. In een preprint dat nog moet worden beoordeeld door vakgenoten, Kosuke Yoshioka en collega's van de Universiteit van Tokio beschrijven een nieuwe laserkoeltechniek die een positroniumgas heeft gekoeld.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/