AEgIS är ett av flera experiment vid CERNs Antimateriafabrik som producerar och studerar antiväteatomer med målet att testa med hög precision om antimateria och materia faller till jorden på samma sätt.
I en artikel publicerad idag i Physical Review Letters , AEGIS-samarbetet rapporterar en experimentell bedrift som inte bara kommer att hjälpa den att uppnå detta mål utan också bana väg för en helt ny uppsättning antimateriastudier, inklusive möjligheten att producera en gammastrålaser som skulle göra det möjligt för forskare att titta in i atomen kärna och har tillämpningar bortom fysik.
För att skapa antiväte (en positron som kretsar kring en antiproton), riktar AEgIS en stråle av positronium (en elektron som kretsar kring en positron) in i ett moln av antiprotoner som produceras och saktas ner i Antimateria Factory. När en antiproton och positronium möts i antiprotonmolnet, ger positroniumet upp sin position till antiprotonen och bildar ett antiväte.
Att producera antiväte på detta sätt innebär att AEgIS också kan studera positronium, ett antimateriasystem i sig som undersöks av experiment världen över.
Positronium har en mycket kort livslängd och förintas till gammastrålar på 142 miljarddelar av en sekund. Men eftersom det bara består av två punktliknande partiklar, elektronen och dess antimateriamotsvarighet, "är det ett perfekt system att experimentera med", säger AEgIS talesperson Ruggero Caravita, "förutsatt att, bland andra experimentella utmaningar, ett prov av positronium kan kylas tillräckligt för att mäta den med hög precision."
Detta är bedriften som AEgIS-teamet har åstadkommit. Genom att tillämpa tekniken med laserkylning på ett prov av positronium har samarbetet redan lyckats mer än halvera temperaturen på provet från 380 till 170 grader Kelvin. I uppföljande experiment strävar teamet efter att bryta barriären på 10 grader Kelvin.
AEGIS laserkylning av positronium öppnar nya möjligheter för antimateriaforskning. Dessa inkluderar högprecisionsmätningar av egenskaperna och gravitationsbeteendet hos detta exotiska men enkla materia-antimateriasystem, vilket kan avslöja ny fysik. Det tillåter också produktion av ett positronium Bose-Einstein-kondensat, i vilket alla beståndsdelar upptar samma kvanttillstånd.
Ett sådant kondensat har föreslagits som en kandidat för att producera koherent gammastrålningsljus via materia-antimateria-förintelsen av dess beståndsdelar – laserliknande ljus som består av monokromatiska vågor som har en konstant fasskillnad mellan dem.
"Ett Bose-Einstein-kondensat av antimateria skulle vara ett otroligt verktyg för både grundläggande och tillämpad forskning, särskilt om det tillät produktion av koherent gammastrålningsljus med vilket forskare kunde titta in i atomkärnan", säger Caravita.
Laserkylning, som applicerades på antimateriaatomer för första gången för ungefär tre år sedan, fungerar genom att sakta ner atomer bit för bit med laserfotoner under många cykler av fotonabsorption och emission. Detta görs normalt med en smalbandslaser, som avger ljus med ett litet frekvensområde. Däremot använder AEGIS-teamet en bredbandslaser i sin studie.
"En bredbandslaser kyler inte bara en liten utan en stor del av positroniumprovet", förklarar Caravita. "Dessutom genomförde vi experimentet utan att applicera något externt elektriskt eller magnetiskt fält, vilket förenklade experimentupplägget och förlängde livslängden för positronium."
AEGIS-samarbetet delar sin prestation av positroniumlaserkylning med ett oberoende team, som använde en annan teknik och publicerade sitt resultat på arXiv preprint-server samma dag som AEGIS.
Mer information: 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, Laser cooling of positronium, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2310.08761
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av CERN
