ก๊าซสสาร-ปฏิสสารของโพซิตรอนเนียมถูกทำให้เย็นลงด้วยเลเซอร์ - โลกฟิสิกส์

ก๊าซสสาร-ปฏิสสารของโพซิตรอนเนียมถูกทำให้เย็นลงด้วยเลเซอร์ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 1 มีนาคม 2024 11:07 น


การทดลองโพซิตรอนเนียมที่ CERN
การทดลองที่ยอดเยี่ยม: อุปกรณ์ที่ทีม AEgIS ใช้ในการทำให้โพซิตรอนเนียมเย็นด้วยเลเซอร์ (ขอบคุณภาพ: เซิร์น)

นักวิจัยจาก CERN และมหาวิทยาลัยโตเกียวมีเมฆโพซิตรอนเนียมที่ระบายความร้อนด้วยเลเซอร์อย่างอิสระ ความก้าวหน้าครั้งนี้น่าจะช่วยให้วัดคุณสมบัติของปฏิสสารได้อย่างแม่นยำได้ง่ายขึ้น และช่วยให้นักวิจัยผลิตแอนติไฮโดรเจนได้มากขึ้น

โพซิตรอนคือสถานะพันธะคล้ายอะตอมของอิเล็กตรอนและมีโพซิตรอนเป็นปฏิปักษ์ เนื่องจากเป็นลูกผสมระหว่างสสารและปฏิสสาร จึงถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการเพื่อให้นักฟิสิกส์สามารถศึกษาคุณสมบัติของปฏิสสารได้ การศึกษาดังกล่าวสามารถเปิดเผยฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน และสามารถอธิบายได้ว่าทำไมในจักรวาลที่มองเห็นจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร

ปัจจุบันโพซิตรอนถูกสร้างขึ้นในเมฆ "อุ่น" ซึ่งอะตอมมีการกระจายความเร็วมาก ซึ่งทำให้ความแม่นยำสเปกโทรสโกปีทำได้ยาก เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอะตอมทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของดอปเปลอร์เล็กน้อยในแสงที่ปล่อยออกมาและดูดซับ ผลลัพธ์ที่ได้คือเส้นสเปกตรัมที่วัดได้กว้างขึ้น ทำให้ยากที่จะเห็นความแตกต่างเล็กๆ น้อยๆ ระหว่างสเปกตรัมที่คาดการณ์ไว้โดยแบบจำลองมาตรฐานกับการสังเกตการณ์เชิงทดลอง

แอนตี้ไฮโดรเจนมากขึ้น

“ผลลัพธ์นี้มีผลกระทบหลายประการ” มหาวิทยาลัยออสโลกล่าว แอนทอน แคมเปอร์นักฟิสิกส์เลเซอร์และสมาชิกของ AEgIS “ด้วยการลดความเร็วของโพซิตรอน เราจึงสามารถผลิตแอนติไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นได้หนึ่งหรือสองลำดับ” แอนติไฮโดรเจนเป็นแอนติอะตอมที่ประกอบด้วยโพซิตรอนและแอนติโปรตอน และเป็นที่สนใจของนักฟิสิกส์เป็นอย่างมาก

Camper ยังกล่าวอีกว่าการวิจัยปูทางไปสู่การใช้โพซิตรอนเนียมเพื่อทดสอบแง่มุมปัจจุบันของแบบจำลองมาตรฐาน เช่น ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (QED) ซึ่งทำนายเส้นสเปกตรัมเฉพาะ “มีเอฟเฟกต์ QED ที่ดีมากที่คุณสามารถตรวจสอบด้วยโพซิตรอนเนียมได้ เพราะมันประกอบด้วยเลปตันเพียงสองตัวเท่านั้น และดังนั้นจึงมีความไวต่อสิ่งต่าง ๆ เช่น ปฏิกิริยาของแรงอ่อน ๆ” เขาอธิบาย

เสนอครั้งแรกในปี 1988 โดยใช้เวลาหลายทศวรรษในการทำให้โพซิตรอนเนียมเย็นลงด้วยเลเซอร์ “โพซิตรอนเนียมไม่ให้ความร่วมมือจริงๆ เพราะมันไม่เสถียร” กล่าว เจฟฟรีย์ แฮงสท์ ของมหาวิทยาลัย Aarhus ของเดนมาร์ก เขาเป็นโฆษกของ ALPHA ซึ่งเป็นการทดลองต่อต้านไฮโดรเจนที่ CERN “มันจะทำลายล้างตัวเองหลังจากผ่านไป 140 ns และเป็นระบบอะตอมที่เบาที่สุดที่เราสามารถสร้างได้ ซึ่งนำมาซึ่งความยากลำบากมากมาย”

อายุการใช้งานสั้นของอะตอมส่วนหนึ่งเกิดจากกระบวนการทำลายล้างระหว่างอิเล็กตรอนและโพซิตรอน ซึ่งหมายความว่าพัลส์เลเซอร์จะต้องมีปฏิกิริยากับเมฆโพซิตรอนเนียมเร็วกว่าการสลายตัวของโพซิตรอนเนียม

ทีม AEgIS เริ่มกระบวนการทำความเย็นโดยบรรจุเมฆโพซิตรอนไว้ในกับดักเพนนิง สิ่งนี้ใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กคงที่เพื่อจำกัดอนุภาคที่มีประจุ

จากนั้นโพซิตรอนจะถูกยิงผ่านตัวแปลงซิลิคอนช่องนาโน หลังจากกระจายและสูญเสียพลังงาน โพซิตรอนจะจับกับอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของคอนเวอร์เตอร์ ทำให้เกิดโพซิตรอนเนียม ขั้นตอนนี้ทำหน้าที่เป็นขั้นตอนก่อนการทำความเย็นก่อนที่อะตอมโพซิตรอนจะถูกรวบรวมในห้องสุญญากาศ ซึ่งอะตอมเหล่านั้นจะถูกทำให้เย็นลงด้วยเลเซอร์

ปฏิสัมพันธ์ของโฟตอน

กระบวนการทำความเย็นเกี่ยวข้องกับอะตอมที่ดูดซับและปล่อยโฟตอนอีกครั้งจากเลเซอร์ ทำให้สูญเสียพลังงานจลน์ในกระบวนการ ความยาวคลื่นของแสงจะถูกดูดซับโดยอะตอมที่เคลื่อนที่เข้าหาเลเซอร์เท่านั้น อะตอมเหล่านี้จะปล่อยโฟตอนไปในทิศทางสุ่มและทำให้พวกมันเย็นลง

ทีมงานใช้เลเซอร์ที่มีตัวกลางรับอเล็กซานไดรต์ ซึ่ง Camper กล่าวว่าเหมาะอย่างยิ่งเพราะว่ามันสร้างแบนด์วิธสเปกตรัมขนาดใหญ่ที่สามารถทำความเย็นอนุภาคด้วยการกระจายความเร็วสูงได้ เมื่อเย็นลงแล้ว อุณหภูมิของเมฆโพซิตรอนเนียมจะถูกวัดด้วยเลเซอร์โพรบ ทีมงาน AeGIS สามารถลดอุณหภูมิจาก 380 K เหลือ 170 K

“เราได้แสดงให้เห็นจริง ๆ แล้วว่าเรากำลังถึงขีดจำกัดของประสิทธิภาพการทำความเย็นสำหรับเวลาโต้ตอบที่เราใช้ในการทำความเย็นด้วย Doppler แบบดั้งเดิม” Camper กล่าว

การวิจัยปฏิสสารใหม่

การจัดการเพื่อทำให้โพซิตรอนเย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำสามารถเปิดแนวทางใหม่ในการศึกษาปฏิสสารได้ โพซิตรอนเป็นการทดสอบที่ดีสำหรับทฤษฎีพื้นฐานที่ Hangst กล่าวว่า "มีสองสิ่งที่เราควรเข้าใจจริงๆ ในฟิสิกส์อะตอม อย่างหนึ่งคือไฮโดรเจนและอีกอย่างคือโพซิตรอนเนียม เนื่องจากพวกมันมีเพียงสองวัตถุเท่านั้น"

สเปกโทรสโกปีที่แม่นยำสามารถระบุระดับพลังงานของอะตอมโพซิตรอนเนียม และดูว่าตรงกับการคาดการณ์ที่มีอยู่ของ QED หรือไม่ ในทำนองเดียวกัน ระดับพลังงานของโพซิตรอนเนียมสามารถใช้เพื่อตรวจสอบผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อปฏิสสารได้

อย่างไรก็ตาม คริสโตเฟอร์ เบเกอร์นักฟิสิกส์ ALPHA จากมหาวิทยาลัยสวอนซีกล่าวว่านักวิทยาศาสตร์ยังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่จะทำการวิเคราะห์สเปกตรัมที่แม่นยำได้ “เพื่อให้ได้สิ่งที่มีประโยชน์ เราต้องลดลงเหลือประมาณ 50” เขากล่าว ยังมีอีกหลายสิ่งที่ทีมงานสามารถทำได้เพื่อลดอุณหภูมิ เช่น การทำความเย็นคอนเวอร์เตอร์เป้าหมายด้วยการแช่แข็ง หรือการนำเลเซอร์ตัวที่สองเข้ามา

“ฉันคิดว่าพวกเขามาถูกทางแล้ว แต่มันจะยากขึ้นเรื่อยๆ ที่จะหนาวขึ้นเรื่อยๆ” เบเกอร์กล่าว

Hangst ตกลงว่าต้องใช้เวลาสักระยะก่อนที่นักวิจัยจะสามารถบรรลุเป้าหมาย "พายบนท้องฟ้า" ในการสร้างคอนเดนเสทของ Bose-Einstein จากโพซิตรอนเนียม

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น. ใน พิมพ์ล่วงหน้า ที่ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ โคสุเกะ โยชิโอกะ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยโตเกียวได้บรรยายถึงเทคนิคการทำความเย็นด้วยเลเซอร์แบบใหม่ที่ทำให้ก๊าซโพซิตรอนเนียมเย็นลง

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์