正电子的正反物质气体被激光冷却 – 物理世界

正电子的正反物质气体被激光冷却 – 物理世界

时间戳记：1年2024月11日上午07:XNUMX


欧洲核子研究中心的正电子实验
冷却实验：AEgIS 团队使用激光冷却正电子的装置。 （由欧洲核子研究中心提供）

欧洲核子研究中心和东京大学的研究人员拥有独立的激光冷却正电子云。这一突破将使对反物质特性的精确测量变得更加容易，并使研究人员能够生产更多的反氢物质。

正电子是电子及其反粒子正电子的类原子束缚态。作为物质和反物质的混合体，它是在实验室中创建的，以便物理学家研究反物质的特性。此类研究可以揭示标准模型之外的物理学，并可以解释为什么可见宇宙中物质比反物质多得多。

正电子目前是在“暖”云中产生的，其中原子的速度分布很大。这使得精确光谱分析变得困难，因为原子的运动会导致其发射和吸收的光发生轻微的多普勒频移。结果是测量的谱线变宽，使得很难看到标准模型预测的光谱与实验观察之间的任何微小差异。

更多反氢

奥斯陆大学的研究人员表示：“这一结果有几个影响。” 安托万·坎珀，激光物理学家，AEgIS 成员。 “通过降低正电子素的速度，我们实际上可以产生多一两个数量级的反氢。”反氢是一种由正电子和反质子组成的反原子，引起了物理学家的极大兴趣。

坎珀还表示，这项研究为使用正电子素来测试标准模型的当前方面铺平了道路，例如预测特定谱线的量子电动力学（QED）。 “你可以用正电子探测非常精细的 QED 效应，因为它仅由两个轻子组成，因此对弱力相互作用等事物非常敏感，”他解释道。

1988年首次提出，正电子素激光冷却花了几十年才实现。 “正电子确实不合作，因为它不稳定，”说 杰弗里·汉斯特 丹麦奥胡斯大学教授。他是欧洲核子研究中心反氢实验 ALPHA 的发言人。 “它会在 140 纳秒后自行湮灭，这是我们能制造的最轻的原子系统，但这带来了一系列困难。”

原子寿命短的部分原因是电子和正电子之间的湮灭过程。这意味着激光脉冲与正电子云的相互作用必须比正电子素衰变更快。

AEgIS 团队通过在潘宁阱中容纳正电子云来开始冷却过程。它使用静电和磁场来限制带电粒子。

然后，正电子通过纳米通道硅转换器发射。散射并失去能量后，正电子与转换器表面的电子结合，产生正电子素。该阶段充当正电子素原子被收集到真空室中并在真空室中进行激光冷却之前的预冷却步骤。

光子相互作用

冷却过程涉及原子吸收并重新发射激光中的光子，并在此过程中损失动能。光的波长使得它仅被朝向激光移动的原子吸收。然后这些原子向随机方向发射光子——将它们冷却。

该团队使用了带有紫翠玉增益介质的激光器，坎珀说这是理想的，因为它产生很大的光谱带宽，能够冷却具有大速度分布的粒子。冷却后，用探针激光测量正电子云的温度。 AeGIS 团队能够将其温度从 380 K 降低到 170 K。

“我们实际上已经证明，对于传统多普勒冷却所用的交互时间，我们正在达到冷却效率的极限，”坎珀说。

新的反物质研究

设法将正电子冷却到低温可以开辟研究反物质的新方法。正电子是基础理论的一个很好的测试平台，杭斯特说，“在原子物理学中有两件事我们应该真正理解，一个是氢，另一个是正电子，因为它们只有两个物体。”

精密光谱可以确定正电子原子的能级，并查看它们是否与量子电动力学现有的预测相符。同样，正电子素的能级可用于探测重力对反物质的影响。

然而， 克里斯托弗·贝克斯旺西大学的 ALPHA 物理学家表示，科学家们在实现精确光谱分析之前还有很长的路要走。 “为了获得有用的东西，我们需要减少到大约 50 K，”他说。该团队仍然可以采取一些措施来降低温度，例如低温冷却目标转换器或引入第二个激光器。

“我认为他们走在正确的轨道上，但天气变得越来越冷会变得越来越困难，”贝克说。

汉斯特同意，研究人员还需要一段时间才能实现他们的“天上掉馅饼”的目标，即用正电子素制造玻色-爱因斯坦凝聚体

该研究描述于 “物理评论快报”。 在 预印本 尚未经过同行评审， 吉冈浩介 和东京大学的同事描述了一种新的激光冷却技术，可以冷却正电子气体。

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