Газ материи-антиматерии позитрония охлаждается лазером

Исследователи из ЦЕРН и Токийского университета независимо друг от друга охлаждают облака позитрония с помощью лазера. Этот прорыв должен облегчить точные измерения свойств антивещества и позволить исследователям производить больше антиводорода.

Позитроний — это атомоподобное связанное состояние электрона и его античастицы — позитрона. Как гибрид материи и антиматерии, он создан в лаборатории, чтобы позволить физикам изучать свойства антиматерии. Такие исследования могут раскрыть физику за пределами Стандартной модели и объяснить, почему в видимой Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии.

Позитроний в настоящее время создается в «теплых» облаках, в которых атомы имеют большое распределение скоростей. Это затрудняет прецизионную спектроскопию, поскольку движение атома способствует небольшому доплеровскому сдвигу света, который он излучает и поглощает. Результатом является расширение измеренных спектральных линий, из-за чего становится трудно увидеть какие-либо крошечные различия между спектрами, предсказанными Стандартной моделью и экспериментальными наблюдениями.

Больше антиводорода

«Этот результат имеет несколько последствий», — говорит профессор Университета Осло. Антуан Кампер, лазерный физик и член AEgIS. «Уменьшив скорость позитрония, мы сможем производить на один или два порядка больше антиводорода». Антиводород представляет собой антиатом, состоящий из позитрона и антипротона, и представляет большой интерес для физиков.

Кэмпер также говорит, что исследование открывает путь к использованию позитрония для проверки текущих аспектов Стандартной модели, таких как квантовая электродинамика (КЭД), которая предсказывает определенные спектральные линии. «Существуют очень тонкие эффекты КЭД, которые можно исследовать с помощью позитрония, поскольку он состоит всего из двух лептонов и поэтому очень чувствителен к таким вещам, как слабосиловое взаимодействие», — объясняет он.

Впервые предложенное в 1988 году, потребовались десятилетия, чтобы добиться лазерного охлаждения позитрония. «Позитроний на самом деле отказывается сотрудничать, потому что он нестабилен», — говорит Джеффри Хангст из Датского Орхусского университета. Он является представителем АЛЬФА, эксперимента по антиводороду в ЦЕРН. «Она аннигилирует через 140 нс, и это самая легкая атомная система, которую мы можем создать, что приносит массу трудностей».

Короткое время жизни атома частично обусловлено процессом аннигиляции между электронами и позитронами. Это означает, что лазерные импульсы должны взаимодействовать с облаком позитрония быстрее, чем распад позитрония.

Команда AEgIS начинает процесс охлаждения с помещения облака позитронов в ловушку Пеннинга. При этом используются статические электрические и магнитные поля для удержания заряженных частиц.

Затем позитроны пропускаются через наноканальный кремниевый преобразователь. После рассеяния и потери энергии позитроны связываются с электронами на поверхности преобразователя, образуя позитроний. Этот этап действует как этап предварительного охлаждения перед тем, как атомы позитрония собираются в вакуумной камере, где они охлаждаются лазером.

Фотонные взаимодействия

В процессе охлаждения атомы поглощают и повторно излучают фотоны лазера, теряя при этом кинетическую энергию. Длина волны света такова, что он поглощается только атомами, движущимися к лазеру. Затем эти атомы испускают фотоны в случайных направлениях, охлаждая их.

Команда использовала лазер с александритовой усиливающей средой, которая, по словам Кампера, идеальна, поскольку обеспечивает широкую спектральную полосу пропускания, способную охлаждать частицы с большим распределением скоростей. После охлаждения температура облака позитрония измеряется с помощью зондового лазера. Команде AeGIS удалось снизить его температуру с 380 К до 170 К.

«Мы фактически продемонстрировали, что достигаем предела эффективности охлаждения за время взаимодействия, которое мы использовали для традиционного доплеровского охлаждения», — сказал Кампер.

Новое исследование антиматерии

Охлаждение позитрония до низких температур может открыть новые пути изучения антиматерии. Позитроний — хороший испытательный полигон для фундаментальных теорий, говорит Хангст: «В атомной физике нам следует понять две вещи: одна — это водород, а другая — позитроний, потому что у них есть только два тела».

Прецизионная спектроскопия может определить энергетические уровни атома позитрония и посмотреть, соответствуют ли они существующим предсказаниям, сделанным КЭД. Точно так же энергетические уровни позитрония можно использовать для исследования воздействия гравитации на антиматерию.

Первое изображение позитрония, полученное во время ПЭТ-сканирования

Однако Кристофер Бейкер, физик АЛЬФА из Университета Суонси, говорит, что ученым еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем можно будет провести точный спектральный анализ. «Чтобы получить что-то полезное, нам нужно снизить цену примерно до 50 тыс.», — сказал он. Команда еще может кое-что сделать для снижения температуры, например криогенное охлаждение целевых преобразователей или установка второго лазера.

«Я думаю, что они на правильном пути, но становится все труднее и труднее становиться холоднее и холоднее», — сказал Бейкер.

Хангст соглашается, что пройдет некоторое время, прежде чем исследователи смогут достичь своей цели «небесного пирога» — создания конденсата Бозе-Эйнштейна из позитрония.

Исследование описано в Physical Review Letters,. В препринт который еще не прошел рецензирование, Косуке Ёсиока и его коллеги из Токийского университета описывают новую технику лазерного охлаждения, позволяющую охладить газ позитроний.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/