Plin materija-antimaterija pozitronij je lasersko hlajen – Svet fizike

Raziskovalci v CERN-u in Univerzi v Tokiu imajo neodvisno lasersko hlajene oblake pozitronija. Preboj bi moral olajšati natančne meritve lastnosti antimaterije in raziskovalcem omogočiti proizvodnjo več antivodika.

Pozitronij je atomu podobno vezano stanje elektrona in njegovega antidelca pozitrona. Kot hibrid snovi in ​​antimaterije je ustvarjen v laboratoriju, da bi fizikom omogočil preučevanje lastnosti antimaterije. Takšne študije bi lahko razkrile fiziko onkraj standardnega modela in lahko pojasnile, zakaj je v vidnem vesolju veliko več snovi kot antimaterije.

Pozitronij trenutno nastaja v "toplih" oblakih, v katerih imajo atomi veliko porazdelitev hitrosti. To otežuje natančno spektroskopijo, ker gibanje atoma prispeva k rahlemu Dopplerjevemu premiku v svetlobi, ki jo oddaja in absorbira. Rezultat je razširitev izmerjenih spektralnih črt, zaradi česar je težko opaziti kakršne koli majhne razlike med spektri, predvidenimi s standardnim modelom, in eksperimentalnimi opazovanji.

Več antivodika

"Ta rezultat ima več vplivov," pravi Univerza v Oslu Antoine Camper, laserski fizik in član AEgIS. "Z zmanjšanjem hitrosti pozitronija lahko dejansko proizvedemo en ali dva reda velikosti več antivodika." Antivodik je antiatom, sestavljen iz pozitrona in antiprotona, in je zelo zanimiv za fizike.

Camper pravi tudi, da raziskava utira pot uporabi pozitronija za testiranje trenutnih vidikov standardnega modela, kot je kvantna elektrodinamika (QED), ki napoveduje specifične spektralne črte. "Obstajajo zelo fini učinki QED, ki jih lahko preizkusite s pozitronijem, ker je sestavljen iz samo dveh leptonov in je zato zelo občutljiv na stvari, kot je interakcija šibkih sil," pojasnjuje.

Prvi predlog leta 1988 je trajalo desetletja, da je bilo doseženo lasersko hlajenje pozitronija. "Pozitronij resnično ne sodeluje, ker ni stabilen," pravi Jeffrey Hangst z danske univerze Aarhus. Je tiskovni predstavnik ALPHA, eksperimenta z antivodikom v CERN-u. "Anihilira se po 140 ns in je najlažji atomski sistem, ki ga lahko naredimo, kar prinaša cel kup težav."

Atomova kratka življenjska doba je delno posledica anihilacijskega procesa med elektroni in pozitroni. To pomeni, da morajo laserski impulzi interagirati s pozitronijevim oblakom hitreje kot razpad pozitronija.

Ekipa AEgIS začne proces ohlajanja tako, da zadrži oblak pozitronov v Penningovi pasti. To uporablja statična električna in magnetna polja za omejevanje nabitih delcev.

Nato se pozitroni izstrelijo skozi nanokanalni silicijev pretvornik. Po sipanju in izgubi energije se pozitroni vežejo na elektrone na površini pretvornika in ustvarijo pozitronij. Ta stopnja deluje kot korak pred hlajenjem, preden se pozitronijevi atomi zberejo v vakuumski komori, kjer se lasersko ohladijo.

Fotonske interakcije

Proces hlajenja vključuje atome, ki absorbirajo in ponovno oddajajo fotone iz laserja, pri tem pa izgubljajo kinetično energijo. Valovna dolžina svetlobe je takšna, da jo absorbirajo le atomi, ki se premikajo proti laserju. Ti atomi nato oddajajo fotone v naključnih smereh in jih ohlajajo.

Ekipa je uporabila laser z aleksandritnim pridobitvenim medijem, za katerega Camper pravi, da je idealen, ker proizvaja veliko spektralno pasovno širino, ki lahko ohladi delce z veliko porazdelitvijo hitrosti. Ko se ohladi, se temperatura pozitronijevega oblaka nato izmeri s sondnim laserjem. Skupini AeGIS je uspelo znižati temperaturo s 380 K na 170 K.

"Pravzaprav smo dokazali, da dosegamo mejo učinkovitosti hlajenja za interakcijski čas, ki smo ga uporabili za tradicionalno Dopplerjevo hlajenje," je dejal Camper.

Nove raziskave antimaterije

Uspeh ohladiti pozitronij na nizke temperature bi lahko odprl nove načine za preučevanje antimaterije. Pozitronij je dober preizkus temeljnih teorij. Hangst pravi: "V atomski fiziki bi morali resnično razumeti dve stvari, ena je vodik, druga pa pozitronij, ker imata samo dve telesi."

Natančna spektroskopija lahko določi energijske ravni pozitronijevega atoma in ugotovi, ali se ujemajo z obstoječimi napovedmi QED. Podobno lahko energijske ravni pozitronija uporabimo za sondiranje učinkov gravitacije na antimaterijo.

Prva slika pozitronija, posneta med PET skeniranjem

Vendar pa Christopher Baker, fizik ALPHA z univerze Swansea, pravi, da morajo znanstveniki opraviti še dolgo pot, preden bo mogoče narediti natančno spektralno analizo. "Da bi dobili nekaj uporabnega, se moramo znižati na približno 50 K," je dejal. Še vedno obstajajo stvari, ki jih ekipa lahko naredi za znižanje temperatur, kot je kriogeno hlajenje ciljnih pretvornikov ali uvedba drugega laserja.

"Mislim, da so na pravi poti, vendar bo vse težje postajati vedno bolj hladno," je dejal Baker.

Hangst se strinja, da bo preteklo nekaj časa, preden bodo raziskovalci lahko dosegli svoj cilj "pita na nebu" ustvariti Bose-Einsteinov kondenzat iz pozitronija.

Raziskava je opisana v Pisni pregledi fizike. V predtisk ki ga je treba še strokovno pregledati, Kosuke Yoshioka in sodelavci na Univerzi v Tokiu opisujejo novo tehniko laserskega hlajenja, ki je ohladila pozitronijev plin.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/