Materie-antimateriegass av positronium er laserkjølt – Physics World

Materie-antimateriegass av positronium er laserkjølt – Physics World

Tidsstempel: 1. mars 2024 11:07


Positronium-eksperiment ved CERN
Kult eksperiment: apparatet som ble brukt av AEGIS-teamet for å laserkjøle positronium. (Med tillatelse: CERN)

Forskere ved CERN og University of Tokyo har uavhengig laserkjølte skyer av positronium. Gjennombruddet skal gjøre det lettere å gjøre presisjonsmålinger av egenskapene til antimaterie og la forskere produsere mer antihydrogen.

Positronium er en atomlignende bundet tilstand av et elektron og dets antipartikkel positron. Som en hybrid av materie og antimaterie, lages den i laboratoriet for å la fysikere studere egenskapene til antimaterie. Slike studier kan avsløre fysikk utover standardmodellen og kan forklare hvorfor det er mye mer materie enn antimaterie i det synlige universet.

Positronium lages for tiden i "varme" skyer der atomene har en stor fordeling av hastigheter. Dette gjør presisjonsspektroskopien vanskelig fordi et atoms bevegelse bidrar til en liten Doppler-forskyvning i lyset det sender ut og absorberer. Resultatet er en utvidelse av de målte spektrallinjene, noe som gjør det vanskelig å se noen små forskjeller mellom spektra spådd av standardmodellen og eksperimentelle observasjoner.

Mer antihydrogen

– Det er flere konsekvenser av dette resultatet, sier Universitetet i Oslo Antoine Camper, en laserfysiker og medlem av AEGIS. "Ved å redusere hastigheten til positronium, kan vi faktisk produsere en eller to størrelsesordener mer antihydrogen." Antihydrogen er et antiatom som består av et positron og et antiproton, og er av stor interesse for fysikere.

Camper sier også at forskningen baner vei for å bruke positronium til å teste aktuelle aspekter av standardmodellen, som kvanteelektrodynamikk (QED), som forutsier spesifikke spektrallinjer. "Det er veldig fine QED-effekter som du kan undersøke med positronium fordi det er sammensatt av bare to leptoner og er derfor veldig følsomt for ting som den svake kraftinteraksjonen," forklarer han.

Foreslo første gang i 1988, det har tatt flere tiår før laserkjøling av positronium ble oppnådd. "Positronium er veldig lite samarbeidsvillig fordi det ikke er stabilt," sier Jeffrey Hangst ved Danmarks Aarhus Universitet. Han er talsperson for ALPHA, antihydrogeneksperimentet ved CERN. "Det tilintetgjør seg selv etter 140 ns, og det er det letteste atomsystemet vi kan lage, som gir en hel rekke vanskeligheter."

Atomets korte levetid skyldes delvis utslettelsesprosessen mellom elektroner og positroner. Dette betyr at laserpulser må samhandle med positroniumskyen raskere enn positroniumforfall.

AEGIS-teamet begynner kjøleprosessen ved å inneholde en sky av positroner i en Penning-felle. Dette bruker statiske elektriske og magnetiske felt for å begrense ladede partikler.

Deretter blir positronene skutt gjennom en nanokanal silisiumomformer. Etter spredning og tap av energi, binder positroner seg til elektroner på overflaten av omformeren, og skaper positronium. Dette trinnet fungerer som et forkjølingstrinn før positroniumatomene samles i et vakuumkammer, hvor de laserkjøles.

Fotoninteraksjoner

Avkjølingsprosessen innebærer at atomene absorberer og re-utsender fotoner fra en laser, og mister kinetisk energi i prosessen. Bølgelengden til lyset er slik at det bare absorberes av atomer som beveger seg mot laseren. Disse atomene sender deretter ut fotoner i tilfeldige retninger - og kjøler dem ned.

Teamet brukte en laser med et alexandrite gain medium, som Camper sier er ideelt fordi det produserer en stor spektral båndbredde som er i stand til å kjøle ned partikler med en stor hastighetsfordeling. Når den er avkjølt, måles temperaturen på positroniumskyen med en sondelaser. AeGIS-teamet klarte å redusere temperaturen fra 380 K til 170 K.

"Vi har faktisk demonstrert at vi når grensen for effektivitet for kjøling for interaksjonstiden som vi brukte for tradisjonell Doppler-kjøling," sa Camper.

Ny antimaterieforskning

Å klare å avkjøle positronium til lave temperaturer kan åpne opp for nye måter å studere antimaterie på. Positronium er et godt testbed for grunnleggende teorier Hangst sier: "Det er to ting vi virkelig burde forstå i atomfysikk, den ene er hydrogen og den andre er positronium, fordi de bare har to kropper."

Presisjonsspektroskopi kan bestemme energinivåene til positroniumatomet, og se om de samsvarer med eksisterende spådommer gjort av QED. På samme måte kan energinivåene til positronium brukes til å undersøke effekten av tyngdekraften på antimaterie.

Imidlertid Christopher Baker, en ALPHA-fysiker fra Swansea University, sier at forskere fortsatt har en lang vei å gå før presisjonsspektralanalyse kan gjøres. "For å få noe nyttig, må vi komme ned til omtrent 50 K," sa han. Det er fortsatt ting teamet kan gjøre for å senke temperaturene, for eksempel å kjøle ned målomformerne ved kryogen eller ta inn en andre laser.

"Jeg tror de er på rett vei, men det kommer til å bli mer og mer vanskelig å bli kaldere og kaldere," sa Baker.

Hangst er enig i at det vil ta en stund før forskerne kan nå sitt "pai in the sky"-mål om å lage et Bose-Einstein-kondensat av positronium

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters. I en preprint som ennå ikke er fagfellevurdert, Kosuke Yoshioka og kolleger ved University of Tokyo beskriver en ny laserkjølingsteknikk som har avkjølt en positroniumgass.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden