Eksperiment baner vejen for et nyt sæt antistofundersøgelser ved hjælp af laserkølende positronium

AEgIS er et af flere eksperimenter på CERNs Antistoffabrik, der producerer og studerer antibrintatomer med det formål at teste med høj præcision, om antistof og stof falder til Jorden på samme måde.

I et papir offentliggjort i dag i Physical Review Letters , AEGIS-samarbejdet rapporterer om en eksperimentel bedrift, der ikke kun vil hjælpe det med at nå dette mål, men også bane vejen for et helt nyt sæt antistof-undersøgelser, herunder udsigten til at producere en gamma-strålelaser, der vil give forskere mulighed for at se ind i atomaren. kerne og har anvendelser ud over fysik.

For at skabe antihydrogen (en positron, der kredser om en antiproton), leder AEgIS en stråle af positronium (en elektron, der kredser om en positron) ind i en sky af antiprotoner, der produceres og bremses i Antimatter Factory. Når en antiproton og positronium mødes i antiprotonskyen, opgiver positronium sin position til antiprotonen og danner et antibrint.

At producere antibrint på denne måde betyder, at AEgIS også kan studere positronium, et antistofsystem i sig selv, som bliver undersøgt af eksperimenter verden over.

Positronium har en meget kort levetid og tilintetgøres til gammastråler på 142 milliardtedele af et sekund. Men fordi det kun består af to punktlignende partikler, elektronen og dens antistof-modstykke, "er det et perfekt system at lave eksperimenter med," siger talsmand for AEgIS, Ruggero Caravita, "forudsat at der blandt andre eksperimentelle udfordringer er en prøve af positronium kan afkøles nok til at måle det med høj præcision."

Dette er den bedrift, som AEGIS-holdet har opnået. Ved at anvende teknikken med laserkøling på en prøve af positronium har samarbejdet allerede formået at mere end halvere prøvens temperatur fra 380 til 170 grader Kelvin. I opfølgende eksperimenter sigter holdet mod at bryde barrieren på 10 grader Kelvin.

AEgIS' laserkøling af positronium åbner nye muligheder for antistofforskning. Disse omfatter højpræcisionsmålinger af egenskaberne og gravitationsadfærden af ​​dette eksotiske, men simple stof-antistof-system, som kunne afsløre ny fysik. Det tillader også produktionen af ​​et positronium Bose-Einstein-kondensat, hvor alle bestanddele indtager den samme kvantetilstand.

Et sådant kondensat er blevet foreslået som en kandidat til at producere kohærent gammastrålelys via stof-antistof-udslettelse af dets bestanddele - laserlignende lys, der består af monokromatiske bølger, der har en konstant faseforskel mellem dem.

"Et Bose-Einstein-kondensat af antistof ville være et utroligt værktøj til både grundlæggende og anvendt forskning, især hvis det tillod produktionen af ​​sammenhængende gammastrålelys, som forskerne kunne kigge ind i atomkernen med," siger Caravita.

Laserkøling, som blev anvendt på antistof-atomer for første gang for omkring tre år siden, virker ved at bremse atomer lidt efter lidt med laserfotoner i løbet af mange cyklusser med fotonabsorption og -emission. Dette gøres normalt ved hjælp af en smalbåndslaser, som udsender lys med et lille frekvensområde. I modsætning hertil bruger AEGIS-teamet en bredbåndslaser i deres undersøgelse.

"En bredbåndslaser køler ikke bare en lille, men en stor del af positroniumprøven," forklarer Caravita. "Hvad mere er, vi udførte eksperimentet uden at anvende noget eksternt elektrisk eller magnetisk felt, hvilket forenklede forsøgsopstillingen og forlængede positroniumets levetid."

AEGIS-samarbejdet deler sin opnåelse af positronium-laserkøling med et uafhængigt team, som brugte en anden teknik og offentliggjorde deres resultat på arXiv preprint server samme dag som AEGIS.

Flere oplysninger: L. T. Glöggler et al., Positronium Laser Cooling via 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.083402

K. Shu et al., Laserkøling af positronium, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2310.08761

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af CERN