O gás matéria-antimatéria do positrônio é resfriado a laser – Physics World

Pesquisadores do CERN e da Universidade de Tóquio desenvolveram nuvens de positrônio resfriadas a laser de forma independente. A descoberta deverá facilitar a realização de medições precisas das propriedades da antimatéria e permitir aos investigadores produzir mais anti-hidrogénio.

O positrônio é um estado ligado semelhante ao átomo de um elétron e sua antipartícula, o pósitron. Como um híbrido de matéria e antimatéria, foi criado em laboratório para permitir que os físicos estudassem as propriedades da antimatéria. Tais estudos poderiam revelar a física além do Modelo Padrão e explicar por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo visível.

Atualmente, o positrônio é criado em nuvens “quentes” nas quais os átomos têm uma grande distribuição de velocidades. Isto torna a espectroscopia de precisão difícil porque o movimento de um átomo contribui para um ligeiro desvio Doppler na luz que ele emite e absorve. O resultado é um alargamento das linhas espectrais medidas, tornando difícil ver quaisquer pequenas diferenças entre os espectros previstos pelo Modelo Padrão e as observações experimentais.

Mais anti-hidrogênio

“Há vários impactos deste resultado”, diz o pesquisador da Universidade de Oslo Antonio Campista, físico de laser e membro da AEgIS. “Ao reduzir a velocidade do positrônio, podemos realmente produzir uma ou duas ordens de magnitude a mais de anti-hidrogênio.” O anti-hidrogênio é um antiátomo composto por um pósitron e um antipróton e é de grande interesse para os físicos.

Camper também diz que a pesquisa abre caminho para o uso do positrônio para testar aspectos atuais do Modelo Padrão, como a eletrodinâmica quântica (QED), que prevê linhas espectrais específicas. “Existem efeitos QED muito precisos que você pode testar com o positrônio porque ele é composto de apenas dois léptons e, portanto, é muito sensível a coisas como a interação de força fraca”, explica ele.

Proposta pela primeira vez em 1988, foram necessárias décadas para que o resfriamento do positrônio a laser fosse alcançado. “O positrônio realmente não coopera porque não é estável”, diz Jeffrey Hangst da Universidade de Aarhus, na Dinamarca. Ele é porta-voz do ALPHA, o experimento anti-hidrogênio do CERN. “Ele se aniquila após 140 ns e é o sistema atômico mais leve que podemos fazer, o que traz uma série de dificuldades.”

A curta vida útil do átomo se deve parcialmente ao processo de aniquilação entre elétrons e pósitrons. Isto significa que os pulsos de laser devem interagir com a nuvem de positrônio mais rapidamente do que o decaimento do positrônio.

A equipe AEgIS inicia o processo de resfriamento contendo uma nuvem de pósitrons em uma armadilha Penning. Isso usa campos elétricos e magnéticos estáticos para confinar partículas carregadas.

Em seguida, os pósitrons são disparados através de um conversor de silício nanocanal. Depois de se espalharem e perderem energia, os pósitrons se ligam aos elétrons na superfície do conversor, criando positrônio. Este estágio atua como uma etapa de pré-resfriamento antes que os átomos de positrônio sejam coletados em uma câmara de vácuo, onde são resfriados a laser.

Interações de fótons

O processo de resfriamento envolve os átomos absorvendo e reemitindo fótons de um laser, perdendo energia cinética no processo. O comprimento de onda da luz é tal que ela só é absorvida pelos átomos que se movem em direção ao laser. Esses átomos então emitem fótons em direções aleatórias – resfriando-os.

A equipe usou um laser com meio de ganho de alexandrita, que Camper diz ser ideal porque produz uma grande largura de banda espectral capaz de resfriar partículas com uma grande distribuição de velocidade. Depois de resfriada, a temperatura da nuvem de positrônio é então medida com uma sonda laser. A equipe AeGIS conseguiu reduzir sua temperatura de 380 K para 170 K.

“Na verdade, demonstramos que estamos atingindo o limite de eficiência de resfriamento para o tempo de interação que usamos para o resfriamento Doppler tradicional”, disse Camper.

Nova pesquisa de antimatéria

Conseguir resfriar o positrônio a baixas temperaturas poderia abrir novas maneiras de estudar a antimatéria. O positrônio é um bom teste para teorias fundamentais. Hangst diz: “Há duas coisas que realmente deveríamos entender na física atômica: uma é o hidrogênio e a outra é o positrônio, porque eles têm apenas dois corpos”.

A espectroscopia de precisão pode determinar os níveis de energia do átomo de positrônio e verificar se eles correspondem às previsões existentes feitas pelo QED. Da mesma forma, os níveis de energia do positrônio podem ser usados ​​para sondar os efeitos da gravidade na antimatéria.

Primeira imagem de positrônio registrada durante um PET scan

O Mercado Pago não havia executado campanhas de Performance anteriormente nessas plataformas. Alcançar uma campanha de sucesso exigiria Christopher Baker, um físico ALPHA da Universidade de Swansea, diz que os cientistas ainda têm um longo caminho a percorrer antes que a análise espectral de precisão possa ser feita. “Para conseguir algo útil, precisamos reduzir para cerca de 50 mil”, disse ele. Ainda há coisas que a equipe pode fazer para reduzir as temperaturas, como resfriar criogenicamente os conversores de alvo ou trazer um segundo laser.

“Acho que eles estão no caminho certo, mas será cada vez mais difícil ficar cada vez mais frio”, disse Baker.

Hangst concorda que levará algum tempo até que os pesquisadores possam atingir seu objetivo “torta no céu” de criar um condensado de Bose-Einstein a partir do positrônio.

A pesquisa é descrita em Physical Review Letters. Num pré-impressão que ainda não foi revisado por pares, Kosuke Yoshioka e colegas da Universidade de Tóquio descrevem uma nova técnica de resfriamento a laser que resfriou um gás positrônio.

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