Các nhà nghiên cứu tại CERN và Đại học Tokyo vừa chế tạo được các đám mây positronium được làm mát bằng laser độc lập. Bước đột phá này sẽ giúp thực hiện các phép đo chính xác về đặc tính của phản vật chất dễ dàng hơn và cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra nhiều phản hydro hơn.

Positronium là trạng thái liên kết giống như nguyên tử của electron và phản hạt của nó là positron. Là sự kết hợp giữa vật chất và phản vật chất, nó được tạo ra trong phòng thí nghiệm để cho phép các nhà vật lý nghiên cứu các đặc tính của phản vật chất. Những nghiên cứu như vậy có thể tiết lộ vật lý ngoài Mô hình Chuẩn và có thể giải thích tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất trong vũ trụ nhìn thấy được.

Positronium hiện được tạo ra trong các đám mây “ấm” trong đó các nguyên tử có sự phân bố vận tốc lớn. Điều này làm cho việc đo quang phổ chính xác trở nên khó khăn vì chuyển động của nguyên tử góp phần tạo ra một sự dịch chuyển Doppler nhẹ trong ánh sáng mà nó phát ra và hấp thụ. Kết quả là sự mở rộng của các vạch quang phổ đo được, khiến cho khó có thể thấy bất kỳ sự khác biệt nhỏ nào giữa quang phổ được Mô hình Chuẩn dự đoán và các quan sát thực nghiệm.

Thêm phản hydro

“Kết quả này có một số tác động,” Đại học Oslo cho biết. Người cắm trại Antoine, một nhà vật lý laser và là thành viên của AEgIS. “Bằng cách giảm vận tốc của positronium, chúng ta thực sự có thể tạo ra nhiều phản hydro hơn một hoặc hai bậc độ lớn.” Phản hydro là một phản nguyên tử bao gồm một positron và một phản proton, và được các nhà vật lý rất quan tâm.

Camper cũng cho biết nghiên cứu này mở đường cho việc sử dụng positronium để kiểm tra các khía cạnh hiện tại của Mô hình Chuẩn, như điện động lực học lượng tử (QED), dự đoán các vạch quang phổ cụ thể. “Có những hiệu ứng QED rất nhỏ mà bạn có thể thăm dò bằng positronium vì nó chỉ gồm có hai lepton và do đó rất nhạy với những thứ như tương tác lực yếu,” ông giải thích.

Đề xuất đầu tiên vào năm 1988, phải mất nhiều thập kỷ mới đạt được việc làm lạnh positronium bằng laser. “Positronium thực sự không hợp tác vì nó không ổn định,” nói Jeffrey Hangst của Đại học Aarhus của Đan Mạch. Ông là người phát ngôn của ALPHA, thí nghiệm phản hydro tại CERN. “Nó tự hủy sau 140 ns và nó là hệ thống nguyên tử nhẹ nhất mà chúng ta có thể tạo ra, điều này mang đến vô số khó khăn.”

Thời gian tồn tại ngắn ngủi của nguyên tử một phần là do quá trình hủy cặp giữa các electron và positron. Điều này có nghĩa là các xung laser phải tương tác với đám mây positronium nhanh hơn sự phân rã positronium.

Nhóm AEgIS bắt đầu quá trình làm mát bằng cách chứa một đám mây positron trong bẫy Penning. Điều này sử dụng điện trường và từ trường tĩnh để giam giữ các hạt tích điện.

Sau đó, các positron được bắn qua bộ chuyển đổi silicon kênh nano. Sau khi tán xạ và mất năng lượng, positron liên kết với các electron trên bề mặt bộ chuyển đổi, tạo ra positronium. Giai đoạn này hoạt động như một bước làm mát sơ bộ trước khi các nguyên tử positronium được thu thập vào buồng chân không, nơi chúng được làm lạnh bằng laser.

Tương tác photon

Quá trình làm mát liên quan đến việc các nguyên tử hấp thụ và phát lại các photon từ tia laser, làm mất động năng trong quá trình này. Bước sóng của ánh sáng chỉ bị hấp thụ bởi các nguyên tử chuyển động về phía tia laser. Những nguyên tử này sau đó phát ra các photon theo các hướng ngẫu nhiên – làm chúng nguội đi.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia laser với môi trường khuếch đại alexandrite, mà Camper cho là lý tưởng vì nó tạo ra băng thông quang phổ lớn có khả năng làm mát các hạt có phân bố vận tốc lớn. Sau khi nguội đi, nhiệt độ của đám mây positronium sẽ được đo bằng tia laser thăm dò. Nhóm AeGIS đã có thể giảm nhiệt độ của nó từ 380 K xuống 170 K.

Camper cho biết: “Chúng tôi thực sự đã chứng minh rằng chúng tôi đang đạt đến giới hạn hiệu quả làm mát trong thời gian tương tác mà chúng tôi đã sử dụng để làm mát Doppler truyền thống”.

Nghiên cứu phản vật chất mới

Việc làm lạnh positronium xuống nhiệt độ thấp có thể mở ra những cách mới để nghiên cứu phản vật chất. Positronium là nơi thử nghiệm tốt cho các lý thuyết cơ bản. Hangst nói: “Có hai thứ mà chúng ta thực sự nên hiểu trong vật lý nguyên tử, một là hydro và thứ hai là positronium, vì chúng chỉ có hai vật thể”.

Quang phổ chính xác có thể xác định mức năng lượng của nguyên tử positronium và xem liệu chúng có phù hợp với các dự đoán hiện có do QED đưa ra hay không. Tương tự, mức năng lượng của positronium có thể được sử dụng để thăm dò tác động của trọng lực lên phản vật chất.

Tuy vậy, Christopher Baker, một nhà vật lý ALPHA từ Đại học Swansea, cho biết các nhà khoa học vẫn còn một chặng đường dài phía trước trước khi có thể thực hiện được việc phân tích quang phổ chính xác. “Để có được thứ gì đó hữu ích, chúng ta cần giảm xuống còn khoảng 50 K,” ông nói. Vẫn còn những điều mà nhóm có thể làm để giảm nhiệt độ, chẳng hạn như làm mát bộ chuyển đổi mục tiêu bằng phương pháp đông lạnh hoặc đưa vào tia laser thứ hai.

“Tôi nghĩ họ đang đi đúng hướng, nhưng sẽ ngày càng khó khăn hơn để lạnh hơn,” Baker nói.

Hangst đồng ý rằng sẽ phải mất một thời gian nữa các nhà nghiên cứu mới có thể đạt được mục tiêu “chiếc bánh trên bầu trời” là tạo ra ngưng tụ Bose–Einstein từ positronium

Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters. trong một in sẵn vẫn chưa được bình duyệt, Kosuke Yoshioka và các đồng sự tại trường Đại học Tokyo mô tả một kĩ thuật làm lạnh bằng laser mới làm lạnh chất khí positronium.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/