Gaz materia-antymateria pozytonu jest chłodzony laserowo – Świat Fizyki

Naukowcy z CERN i Uniwersytetu Tokijskiego stworzyli niezależnie chłodzone laserowo obłoki pozytonu. Przełom powinien ułatwić precyzyjne pomiary właściwości antymaterii i umożliwić badaczom wytwarzanie większej ilości antywodoru.

Pozyton jest atomowym stanem związanym elektronu i jego antycząstki – pozytonem. Jako hybryda materii i antymaterii powstaje w laboratorium, aby umożliwić fizykom badanie właściwości antymaterii. Takie badania mogłyby ujawnić fizykę wykraczającą poza Model Standardowy i wyjaśnić, dlaczego w widzialnym wszechświecie jest znacznie więcej materii niż antymaterii.

Pozyton powstaje obecnie w „ciepłych” obłokach, w których atomy mają duży rozkład prędkości. Utrudnia to precyzyjną spektroskopię, ponieważ ruch atomu przyczynia się do niewielkiego przesunięcia Dopplera w świetle, które emituje i pochłania. Rezultatem jest poszerzenie mierzonych linii widmowych, co utrudnia dostrzeżenie jakichkolwiek drobnych różnic pomiędzy widmami przewidywanymi przez Model Standardowy a obserwacjami eksperymentalnymi.

Więcej antywodoru

„Ten wynik ma kilka skutków” – twierdzi Uniwersytet w Oslo Antoine’a Campera, fizyk laserowy i członek AEgIS. „Zmniejszając prędkość pozytonu, możemy w rzeczywistości wyprodukować o jeden lub dwa rzędy wielkości więcej antywodoru”. Antywodór to antyatom składający się z pozytonu i antyprotonu, cieszący się dużym zainteresowaniem fizyków.

Camper twierdzi również, że badania torują drogę do wykorzystania pozytu do testowania bieżących aspektów Modelu Standardowego, takich jak elektrodynamika kwantowa (QED), która przewiduje określone linie widmowe. „Istnieją bardzo subtelne efekty QED, które można badać za pomocą pozytu, ponieważ składa się on tylko z dwóch leptonów, a zatem jest bardzo wrażliwy na takie rzeczy, jak oddziaływanie sił słabych” – wyjaśnia.

Zaproponowano to po raz pierwszy w 1988 r. Osiągnięcie laserowego chłodzenia pozytu zajęło dziesięciolecia. „Pozyt naprawdę nie chce współpracować, ponieważ jest niestabilny” – mówi Jeffreya Hangsta duńskiego uniwersytetu w Aarhus. Jest rzecznikiem ALPHA, eksperymentu z antywodorem w CERN. „Ananihiluje się po 140 ns i jest najlżejszym układem atomowym, jaki możemy stworzyć, co powoduje całą masę trudności”.

Krótki czas życia atomu wynika częściowo z procesu anihilacji pomiędzy elektronami i pozytonami. Oznacza to, że impulsy laserowe muszą oddziaływać z chmurą pozytonu szybciej niż rozpady pozytonu.

Zespół AEgIS rozpoczyna proces chłodzenia od zatrzymania chmury pozytonów w pułapce Penninga. Wykorzystuje statyczne pola elektryczne i magnetyczne do zamykania naładowanych cząstek.

Następnie pozytony są przepuszczane przez nanokanałowy konwerter krzemowy. Po rozproszeniu i utracie energii pozytony wiążą się z elektronami na powierzchni konwertera, tworząc pozyton. Ten etap pełni funkcję wstępnego chłodzenia, zanim atomy pozytonu zostaną zebrane w komorze próżniowej, gdzie są chłodzone laserowo.

Interakcje fotonów

Proces chłodzenia polega na tym, że atomy absorbują i ponownie emitują fotony z lasera, tracąc przy tym energię kinetyczną. Długość fali światła jest taka, że ​​jest ono pochłaniane jedynie przez atomy poruszające się w kierunku lasera. Atomy te emitują następnie fotony w przypadkowych kierunkach, chłodząc je.

Zespół użył lasera z aleksandrytowym ośrodkiem wzmacniającym, który zdaniem Campera jest idealny, ponieważ wytwarza duże pasmo widmowe, które jest w stanie chłodzić cząstki o dużym rozkładzie prędkości. Po ochłodzeniu temperaturę chmury pozytonu mierzy się następnie za pomocą sondy laserowej. Zespołowi AeGIS udało się obniżyć jego temperaturę z 380 K do 170 K.

„W rzeczywistości wykazaliśmy, że osiągamy granicę wydajności chłodzenia przy czasie interakcji, który stosowaliśmy w przypadku tradycyjnego chłodzenia Dopplera” – powiedział Camper.

Nowe badania nad antymaterią

Schłodzenie pozytonu do niskich temperatur może otworzyć nowe sposoby badania antymaterii. Pozyton jest dobrym poligonem doświadczalnym dla podstawowych teorii. Hangst twierdzi, że „w fizyce atomowej tak naprawdę powinniśmy zrozumieć dwie rzeczy: jedną jest wodór, a drugą pozyton, ponieważ mają one tylko dwa ciała”.

Precyzyjna spektroskopia może określić poziomy energii atomu pozytonu i sprawdzić, czy odpowiadają one istniejącym przewidywaniom QED. Podobnie poziomy energii pozytu można wykorzystać do badania wpływu grawitacji na antymaterię.

Pierwszy obraz pozytonowy zarejestrowany podczas badania PET

Jednakże, Krzysztof Baker, fizyk ALPHA z Uniwersytetu w Swansea, twierdzi, że przed naukowcami jeszcze długa droga, zanim będzie można przeprowadzić precyzyjną analizę widmową. „Aby uzyskać coś przydatnego, musimy zejść do około 50 tys.” – powiedział. Zespół może jeszcze podjąć działania, aby obniżyć temperaturę, na przykład kriogeniczne chłodzenie docelowych konwerterów lub zastosowanie drugiego lasera.

„Myślę, że są na dobrej drodze, ale robi się coraz trudniej i jest coraz zimniej” – powiedział Baker.

Hangst zgadza się, że minie trochę czasu, zanim naukowcom uda się osiągnąć swój cel „ciasta na niebie”, jakim jest utworzenie kondensatu Bosego-Einsteina z pozytonu

Badania opisano w Physical Review Letters, W przedruk który nie został jeszcze poddany recenzji, Kosuke Yoshiokę i współpracownicy z Uniwersytetu Tokijskiego opisują nową technikę chłodzenia laserowego, która polega na schłodzeniu gazu pozytonowego.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/