Газ матерія-антиматерія позитронію охолоджується лазером – Physics World

Дослідники з CERN і Токійського університету незалежно один від одного створили хмари позитронію, охолоджені лазером. Цей прорив має полегшити точні вимірювання властивостей антиматерії та дозволить дослідникам виробляти більше антиводню.

Позитроній — атомоподібний зв'язаний стан електрона та його античастинки позитрона. Будучи гібридом матерії та антиматерії, він створений у лабораторії, щоб дозволити фізикам вивчати властивості антиматерії. Такі дослідження можуть виявити фізику за межами Стандартної моделі та пояснити, чому у видимому Всесвіті набагато більше матерії, ніж антиматерії.

В даний час позитроній утворюється в «теплих» хмарах, в яких атоми мають великий розподіл швидкостей. Це ускладнює точну спектроскопію, оскільки рух атома сприяє невеликому доплерівському зсуву світла, яке він випромінює та поглинає. Результатом є розширення виміряних спектральних ліній, через що важко побачити будь-які крихітні відмінності між спектрами, передбаченими Стандартною моделлю, та експериментальними спостереженнями.

Більше антиводню

«Є кілька наслідків цього результату», — кажуть в Університеті Осло Антуан Кемпер, лазерний фізик і член AEgIS. «Зменшивши швидкість позитронію, ми можемо фактично виробляти на один або два порядки більше антиводню». Антиводень є антиатомом, що складається з позитрона та антипротона, і становить великий інтерес для фізиків.

Кемпер також каже, що дослідження прокладає шлях до використання позитронію для перевірки сучасних аспектів Стандартної моделі, таких як квантова електродинаміка (КЕД), яка передбачає конкретні спектральні лінії. «Існують дуже тонкі КЕД-ефекти, які ви можете дослідити за допомогою позитронію, оскільки він складається лише з двох лептонів і тому дуже чутливий до таких речей, як слабка взаємодія», — пояснює він.

Вперше запропонувавши в 1988 році, для лазерного охолодження позитронію знадобилися десятиліття. «Позитроній справді не здатний співпрацювати, тому що він не стабільний», — каже Джеффрі Хангст Орхуського університету Данії. Він є представником ALPHA, антиводневого експерименту в CERN. «Він анігілює через 140 нс, і це найлегша атомна система, яку ми можемо створити, що приносить цілий ряд труднощів».

Короткий час життя атома частково пояснюється процесом анігіляції між електронами та позитронами. Це означає, що лазерні імпульси повинні взаємодіяти з позитронієвою хмарою швидше, ніж позитроній розпадається.

Команда AEgIS починає процес охолодження, утримуючи хмару позитронів у пастці Пеннінга. Це використовує статичні електричні та магнітні поля для утримання заряджених частинок.

Потім позитрони пропускаються через наноканальний кремнієвий перетворювач. Після розсіювання та втрати енергії позитрони зв’язуються з електронами на поверхні перетворювача, створюючи позитроній. Цей етап діє як етап попереднього охолодження перед тим, як атоми позитронію збираються у вакуумній камері, де вони охолоджуються лазером.

Взаємодії фотонів

У процесі охолодження атоми поглинають і повторно випромінюють фотони лазера, втрачаючи при цьому кінетичну енергію. Довжина хвилі світла така, що воно поглинається лише атомами, що рухаються до лазера. Потім ці атоми випромінюють фотони у випадкових напрямках, охолоджуючи їх.

Команда використовувала лазер із олександритовим підсилювальним середовищем, яке, за словами Кемпера, є ідеальним, оскільки воно створює широку спектральну смугу, яка здатна охолоджувати частинки з великим розподілом швидкостей. Після охолодження температура позитронієвої хмари вимірюється зондуючим лазером. Команда AeGIS змогла знизити його температуру з 380 K до 170 K.

«Ми фактично продемонстрували, що ми досягли межі ефективності охолодження за час взаємодії, який ми використовували для традиційного доплерівського охолодження», — сказав Кемпер.

Нові дослідження антиматерії

Уміння охолоджувати позитроній до низьких температур може відкрити нові способи вивчення антиматерії. Позитроній є хорошим випробувальним майданчиком для фундаментальних теорій. Хангст каже: «Є дві речі, які ми повинні розуміти в атомній фізиці, одна — це водень, а інша — позитроній, тому що вони мають лише два тіла».

Точна спектроскопія може визначити енергетичні рівні атома позитронію та перевірити, чи збігаються вони з існуючими прогнозами, зробленими QED. Подібним чином енергетичні рівні позитронію можна використовувати для дослідження впливу гравітації на антиматерію.

Перше позитронієве зображення, отримане під час ПЕТ-сканування

Тим не менш, Крістофер Бейкер, фізик ALPHA з Університету Свонсі, каже, що вченим ще належить пройти довгий шлях, перш ніж можна буде зробити точний спектральний аналіз. «Щоб отримати щось корисне, нам потрібно знизитися приблизно до 50 тисяч», — сказав він. Є ще речі, які команда може зробити, щоб знизити температуру, як-от кріогенне охолодження цільових конвертерів або використання другого лазера.

«Я думаю, що вони на правильному шляху, але ставати все важче й холодніше», — сказав Бейкер.

Хангст погоджується, що мине деякий час, перш ніж дослідники зможуть досягти своєї мети «пирога в небі» створити конденсат Бозе-Ейнштейна з позитронію

Дослідження описано в Physical Review Letters,. У передрук який ще не пройшов експертну перевірку, Косуке Йосіока і його колеги з Токійського університету описують нову техніку лазерного охолодження, яка охолоджує газ позитроній.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/