Gazul materie-antimaterie al pozitroniului este răcit cu laser – Physics World

Cercetătorii de la CERN și de la Universitatea din Tokyo au nori de pozitroniu răciți cu laser independent. Descoperirea ar trebui să faciliteze măsurarea de precizie a proprietăților antimateriei și să permită cercetătorilor să producă mai mult antihidrogen.

Pozitroniul este o stare legată asemănătoare unui atom a unui electron, iar antiparticula acestuia este pozitronul. Ca hibrid de materie și antimaterie, este creat în laborator pentru a permite fizicienilor să studieze proprietățile antimateriei. Astfel de studii ar putea dezvălui fizica dincolo de Modelul standard și ar putea explica de ce există mult mai multă materie decât antimaterie în universul vizibil.

Positroniul este creat în prezent în nori „calzi” în care atomii au o distribuție mare a vitezelor. Acest lucru face ca spectroscopia de precizie să fie dificilă, deoarece mișcarea unui atom contribuie la o ușoară schimbare Doppler a luminii pe care o emite și o absoarbe. Rezultatul este o lărgire a liniilor spectrale măsurate, ceea ce face dificilă observarea oricăror mici diferențe între spectrele prezise de modelul standard și observațiile experimentale.

Mai mult antihidrogen

„Există mai multe efecte ale acestui rezultat”, spune Universitatea din Oslo Antoine Camper, un fizician laser și membru al AEgIS. „Prin reducerea vitezei pozitroniului, putem produce de fapt unul sau două ordine de mărime mai mult antihidrogen.” Antihidrogenul este un antiatom care cuprinde un pozitron și un antiproton și este de mare interes pentru fizicieni.

Camper mai spune că cercetarea deschide calea utilizării pozitroniului pentru a testa aspectele actuale ale modelului standard, cum ar fi electrodinamica cuantică (QED), care prezic linii spectrale specifice. „Există efecte QED foarte fine pe care le puteți sonda cu pozitroniu, deoarece este compus din doar doi leptoni și, prin urmare, este foarte sensibil la lucruri precum interacțiunea forței slabe”, explică el.

Prima propusă în 1988, a fost nevoie de decenii pentru a se obține răcirea cu laser a pozitroniului. „Pozitroniul este cu adevărat necooperant, deoarece nu este stabil”, spune Jeffrey Hangst de la Universitatea Aarhus din Danemarca. El este purtătorul de cuvânt al ALPHA, experimentul antihidrogen de la CERN. „Se anihilează după 140 ns și este cel mai ușor sistem atomic pe care îl putem realiza, ceea ce aduce o mulțime de dificultăți.”

Durata scurtă de viață a atomului se datorează parțial procesului de anihilare dintre electroni și pozitroni. Aceasta înseamnă că impulsurile laser trebuie să interacționeze cu norul de pozitroniu mai repede decât dezintegrarea pozitroniului.

Echipa AEgIS începe procesul de răcire prin includerea unui nor de pozitroni într-o capcană Penning. Aceasta folosește câmpuri electrice și magnetice statice pentru a limita particulele încărcate.

Apoi, pozitronii sunt aruncați printr-un convertor de siliciu nanocanal. După împrăștiere și pierdere de energie, pozitronii se leagă de electroni de pe suprafața convertorului, creând pozitroniu. Această etapă acționează ca o etapă de pre-răcire înainte ca atomii de pozitroniu să fie colectați într-o cameră cu vid, unde sunt răciți cu laser.

Interacțiuni fotonice

Procesul de răcire implică absorbția și reemiterea de fotoni ai unui laser de către atomii, pierzând energia cinetică în acest proces. Lungimea de undă a luminii este astfel încât este absorbită doar de atomii care se deplasează spre laser. Acești atomi emit apoi fotoni în direcții aleatorii – răcindu-i.

Echipa a folosit un laser cu un mediu de câștig de alexandrit, despre care Camper spune că este ideal, deoarece produce o lățime de bandă spectrală mare care este capabilă să răcească particulele cu o distribuție mare a vitezei. Odată răcit, temperatura norului de pozitroniu este apoi măsurată cu un laser cu sondă. Echipa AeGIS a reușit să-și reducă temperatura de la 380 K la 170 K.

„De fapt, am demonstrat că atingem limita de eficiență a răcirii pentru timpul de interacțiune pe care l-am folosit pentru răcirea Doppler tradițională”, a spus Camper.

Noi cercetări de antimaterie

Reușirea să răcească pozitroniul la temperaturi scăzute ar putea deschide noi modalități de a studia antimateria. Pozitroniul este un bun banc de testare pentru teoriile fundamentale Hangst spune: „Există două lucruri pe care ar trebui să le înțelegem cu adevărat în fizica atomică, unul este hidrogenul și celălalt este pozitroniul, pentru că au doar două corpuri”.

Spectroscopia de precizie poate determina nivelurile de energie ale atomului de pozitroniu și poate vedea dacă se potrivesc cu predicțiile existente făcute de QED. În mod similar, nivelurile de energie ale pozitroniului pot fi folosite pentru a sonda efectele gravitației asupra antimateriei.

Prima imagine cu pozitroniu înregistrată în timpul unei scanări PET

"Dar daca Christopher Baker, un fizician ALPHA de la Universitatea Swansea, spune că oamenii de știință mai au un drum lung de parcurs până se poate face o analiză spectrală de precizie. „Pentru a obține ceva util, trebuie să coborâm la aproximativ 50 K”, a spus el. Există încă lucruri pe care echipa le poate face pentru a scădea temperaturile, cum ar fi răcirea criogenică a convertoarelor țintă sau introducerea unui al doilea laser.

„Cred că sunt pe drumul cel bun, dar va fi din ce în ce mai dificil să se răcească din ce în ce mai mult”, a spus Baker.

Hangst este de acord că va dura ceva timp până când cercetătorii își vor putea atinge obiectivul de „plăcintă pe cer” de a crea un condensat Bose-Einstein din pozitoniu.

Cercetarea este descrisă în Scrisori de recenzie fizică. într-un preimprimare care încă nu a fost revizuit de colegi, Kosuke Yoshioka și colegii de la Universitatea din Tokyo descriu o nouă tehnică de răcire cu laser care a răcit un gaz de pozitroniu.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/