Ερευνητές στο CERN και στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο έχουν ψύχονται ανεξάρτητα με λέιζερ σύννεφα ποζιτρονίου. Η ανακάλυψη θα πρέπει να διευκολύνει τις μετρήσεις ακριβείας των ιδιοτήτων της αντιύλης και να επιτρέψει στους ερευνητές να παράγουν περισσότερο αντιυδρογόνο.

Το ποζιτρόνιο είναι μια ατομική δεσμευμένη κατάσταση ενός ηλεκτρονίου και το αντισωματίδιο του το ποζιτρόνιο. Ως υβρίδιο ύλης και αντιύλης, δημιουργείται στο εργαστήριο για να επιτρέψει στους φυσικούς να μελετήσουν τις ιδιότητες της αντιύλης. Τέτοιες μελέτες θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τη φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο και θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί υπάρχει πολύ περισσότερη ύλη από αντιύλη στο ορατό σύμπαν.

Το ποζιτρόνιο δημιουργείται επί του παρόντος σε «θερμά» νέφη στα οποία τα άτομα έχουν μεγάλη κατανομή ταχυτήτων. Αυτό καθιστά τη φασματοσκοπία ακριβείας δύσκολη επειδή η κίνηση ενός ατόμου συμβάλλει σε μια ελαφρά μετατόπιση Doppler στο φως που εκπέμπει και απορροφά. Το αποτέλεσμα είναι μια διεύρυνση των φασματικών γραμμών που μετρήθηκαν, καθιστώντας δύσκολο να δούμε οποιεσδήποτε μικροσκοπικές διαφορές μεταξύ των φασμάτων που προβλέπονται από το Καθιερωμένο μοντέλο και των πειραματικών παρατηρήσεων.

Περισσότερο αντιυδρογόνο

«Υπάρχουν πολλές επιπτώσεις αυτού του αποτελέσματος», λέει το Πανεπιστήμιο του Όσλο Αντουάν Κάμπερ, φυσικός λέιζερ και μέλος της AEgIS. «Με τη μείωση της ταχύτητας του ποζιτρονίου, μπορούμε στην πραγματικότητα να παράγουμε μία ή δύο τάξεις μεγέθους περισσότερο αντιυδρογόνο». Το αντιυδρογόνο είναι ένα αντιάτομο που περιλαμβάνει ένα ποζιτρόνιο και ένα αντιπρωτόνιο και έχει μεγάλο ενδιαφέρον για τους φυσικούς.

Ο Camper λέει επίσης ότι η έρευνα ανοίγει το δρόμο για τη χρήση του ποζιτρόνιου για τη δοκιμή τρέχουσες πτυχές του Καθιερωμένου Μοντέλου, όπως η κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), η οποία προβλέπει συγκεκριμένες φασματικές γραμμές. "Υπάρχουν πολύ λεπτά φαινόμενα QED που μπορείτε να διερευνήσετε με το ποζιτρόνιο επειδή αποτελείται από μόνο δύο λεπτόνια και επομένως είναι πολύ ευαίσθητο σε πράγματα όπως η αλληλεπίδραση ασθενούς δύναμης", εξηγεί.

Πρώτη πρόταση το 1988, χρειάστηκαν δεκαετίες για να επιτευχθεί η ψύξη του ποζιτρονίου με λέιζερ. «Το Positronium είναι πραγματικά μη συνεργάσιμο γιατί δεν είναι σταθερό», λέει Τζέφρι Χανγκστ του Πανεπιστημίου Aarhus της Δανίας. Είναι εκπρόσωπος του ALPHA, του πειράματος αντιυδρογόνου στο CERN. «Εξαφανίζεται μετά από 140 ns και είναι το ελαφρύτερο ατομικό σύστημα που μπορούμε να φτιάξουμε, το οποίο φέρνει μια ολόκληρη σειρά από δυσκολίες».

Η μικρή διάρκεια ζωής του ατόμου οφείλεται εν μέρει στη διαδικασία εκμηδένισης μεταξύ ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι οι παλμοί λέιζερ πρέπει να αλληλεπιδρούν με το νέφος ποζιτρονίου ταχύτερα από ό,τι διασπάται το ποζιτρόνιο.

Η ομάδα AEgIS ξεκινά τη διαδικασία ψύξης περιέχοντας ένα σύννεφο ποζιτρονίων σε μια παγίδα Penning. Αυτό χρησιμοποιεί στατικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία για να περιορίσει τα φορτισμένα σωματίδια.

Στη συνέχεια, τα ποζιτρόνια πυροβολούνται μέσω ενός μετατροπέα πυριτίου νανοκαναλιού. Μετά τη σκέδαση και την απώλεια ενέργειας, τα ποζιτρόνια συνδέονται με ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του μετατροπέα, δημιουργώντας ποζιτρόνιο. Αυτό το στάδιο λειτουργεί ως ένα στάδιο προψύξης προτού συλλεχθούν τα άτομα ποζιτρονίου σε θάλαμο κενού, όπου ψύχονται με λέιζερ.

Αλληλεπιδράσεις φωτονίων

Η διαδικασία ψύξης περιλαμβάνει τα άτομα που απορροφούν και εκπέμπουν εκ νέου φωτόνια από ένα λέιζερ, χάνοντας την κινητική ενέργεια κατά τη διαδικασία. Το μήκος κύματος του φωτός είναι τέτοιο που απορροφάται μόνο από άτομα που κινούνται προς το λέιζερ. Αυτά τα άτομα στη συνέχεια εκπέμπουν φωτόνια σε τυχαίες κατευθύνσεις – ψύχοντάς τα.

Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα λέιζερ με μέσο κέρδους αλεξανδρίτη, το οποίο ο Camper λέει ότι είναι ιδανικό επειδή παράγει ένα μεγάλο φασματικό εύρος ζώνης που είναι σε θέση να ψύχει σωματίδια με μεγάλη κατανομή ταχύτητας. Μόλις κρυώσει, η θερμοκρασία του νέφους ποζιτρονίου μετράται στη συνέχεια με ένα λέιζερ ανιχνευτή. Η ομάδα του AeGIS κατάφερε να μειώσει τη θερμοκρασία του από 380 Κ σε 170 Κ.

«Έχουμε πραγματικά αποδείξει ότι φτάνουμε στο όριο απόδοσης της ψύξης για το χρόνο αλληλεπίδρασης που χρησιμοποιήσαμε για την παραδοσιακή ψύξη Doppler», δήλωσε ο Camper.

Νέα έρευνα κατά της ύλης

Η διαχείριση του ποζιτρονίου σε χαμηλές θερμοκρασίες θα μπορούσε να ανοίξει νέους τρόπους μελέτης της αντιύλης. Το ποζιτρόνιο είναι μια καλή βάση δοκιμών για θεμελιώδεις θεωρίες που λέει ο Hangst, «Υπάρχουν δύο πράγματα που πρέπει πραγματικά να κατανοήσουμε στην ατομική φυσική, το ένα είναι το υδρογόνο και το άλλο είναι το ποζιτρόνιο, επειδή έχουν μόνο δύο σώματα».

Η φασματοσκοπία ακριβείας μπορεί να προσδιορίσει τα ενεργειακά επίπεδα του ατόμου του ποζιτρονίου και να δει αν ταιριάζουν με τις υπάρχουσες προβλέψεις του QED. Ομοίως, τα ενεργειακά επίπεδα του ποζιτρονίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των επιδράσεων της βαρύτητας στην αντιύλη.

Ωστόσο, Κρίστοφερ Μπέικερ, ένας φυσικός ALPHA από το Πανεπιστήμιο του Swansea, λέει ότι οι επιστήμονες έχουν ακόμη πολύ δρόμο να διανύσουν μέχρι να γίνει φασματική ανάλυση ακριβείας. «Για να πάρουμε κάτι χρήσιμο, πρέπει να κατέβουμε περίπου στους 50 K», είπε. Υπάρχουν ακόμα πράγματα που μπορεί να κάνει η ομάδα για να μειώσει τις θερμοκρασίες, όπως η κρυογονική ψύξη των μετατροπέων-στόχων ή η εισαγωγή ενός δεύτερου λέιζερ.

«Νομίζω ότι είναι στο σωστό δρόμο, αλλά θα είναι όλο και πιο δύσκολο να γίνεται όλο και πιο κρύο», είπε ο Baker.

Ο Hangst συμφωνεί ότι θα περάσει αρκετός καιρός για να μπορέσουν οι ερευνητές να επιτύχουν τον στόχο τους "pie in the sky" να δημιουργήσουν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein από ποζιτρόνιο

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης. Σε μία προεκτύπωση που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, Kosuke Yoshioka και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο περιγράφουν μια νέα τεχνική ψύξης με λέιζερ που έχει ψύχει ένα αέριο ποζιτρόνιο.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/