Fremstilling af langlivede positroniumatomer til antimateriale-tyngdekraftforsøg

Universet er næsten blottet for antimateriale, og fysikere har endnu ikke fundet ud af hvorfor. At opdage en lille forskel mellem adfærd af antimateriale og stof i Jordens tyngdefelt kunne kaste lys over dette spørgsmål. Positroniumatomer, som består af en elektron og en positron, er en type antimateriale -atomer, der overvejes for at teste, om antimateriale falder med samme hastighed som stof i Jordens tyngdefelt. Men de er kortvarige, varer kun 142 nanosekunder - for lidt til at udføre et antimateriale tyngdekraftseksperiment. Forskere søger derfor aktivt tricks til at lave kilder til positroniumatomer, der lever længere. I et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgang A , AEgIS-samarbejdet hos CERN beskriver en ny måde at lave positronium med lang levetid på.

For at være nyttig til antimateriale tyngdekraftseksperimenter, en kilde til positroniumatomer skal producere langlivede atomer i stort antal, og med kendte hastigheder, der kan kontrolleres og ikke påvirkes af forstyrrelser som elektriske og magnetiske felter. Den nye AEgIS -kilde markerer alle disse felter, producerer cirka 80 000 positroniumatomer i minuttet, der varer 1140 nanosekunder hver og har en kendt hastighed (mellem 70 og 120 kilometer i sekundet), der kan kontrolleres med en høj præcision (10 kilometer i sekundet).

Tricket? Ved hjælp af en speciel positron-til-positronium-konverter til at producere atomerne og et enkelt flash af ultraviolet laserlys, der dræber to fugle i ét smæk. Laseren bringer atomerne fra den laveste energi elektroniske tilstand til en lang levetid højere energi-tilstand og kan vælge blandt alle atomerne kun dem med en vis hastighed.

Det er ikke første gang, at forskere producerer en kilde til positroniumatomer med lang levetid. Der er andre teknikker, der gør det, herunder en, der involverer at bringe atomerne til elektroniske tilstande kaldet Rydberg -stater, og som også kunne bruges til at udføre tyngdekraftseksperimenter med positronium. Men alle disse er meget følsomme over for elektriske og magnetiske felter, som påvirker atomernes hastighed og som skulle tages med i fremtidige tyngdekraftsmålinger. Den nye metode udviklet af AEgIS er "renere, "ved at det er næsten ufølsomt over for disse felter.

Det næste trin på den lange vej til måling af tyngdekraftens effekt på positronium med den nye AEgIS -kilde (AEgIS -teamet og andre CERN -samarbejder planlægger hovedsageligt at foretage målinger med antihydrogenatomer) vil være at bekræfte, at de producerede atomer er elektrisk neutrale. CERNs acceleratorkompleks er i øjeblikket lukket for et større toårigt opgraderingsprogram, så de fleste forsøg på laboratoriet, som kræver en stråle af protoner, har ophørt med at fungere i denne periode. En fordel ved dette positronium -eksperiment er, at det ikke kræver protoner, så den kan fortsætte med at blive betjent under nedlukningen.