Wetenschappers zijn voor het eerst met succes lasergekoeld met positroniumionen!

In een recente studie heeft het AEgIS-systeem van het Europees Centrum voor Nucleair Onderzoek (CERN) met succes positroniumionen met laser gekoeld, waarmee een belangrijke stap is gezet in de richting van een materie-antimateriesysteem dat laserachtige gammastraling uitzendt.
De resultaten van dit experiment bieden niet alleen krachtige ondersteuning voor zeer nauwkeurige tests om te bepalen of antimaterie en materie op dezelfde manier naar de aarde vallen, maar maken ook de weg vrij voor een geheel nieuw scala aan antimaterieonderzoek, inclusief de mogelijkheid om gammastraling te produceren. lasers.
Het Aegis-systeem (AEgIS) is een van de vele experimenten die anti-waterstofatomen produceren en bestuderen in de Antimateriefabriek van CERN, met als doel met hoge precisie te testen of antimaterie en materie beide op dezelfde manier naar de aarde vallen.
In een artikel dat onlangs in Physical Review Letters is gepubliceerd, rapporteert de AEgIS-samenwerking over een experimentele prestatie die niet alleen helpt dit doel te bereiken, maar ook de weg vrijmaakt voor een geheel nieuw scala aan antimaterieonderzoek, inclusief het vooruitzicht van de productie van gammastraallasers. , waardoor onderzoekers in de kern van een atoom binnenin kunnen kijken en toepassingen hebben die verder gaan dan de natuurkunde.
Het doel van AEgIS, een van de vele experimenten in de Antimateriefabriek van CERN, is het bestuderen van de eigenschappen van anti-waterstofatomen. Om anti-waterstof (een positron dat rond een antiproton draait) te creëren, stuurt AEgIS een straal positronen (een elektron dat rond een positron draait) naar een wolk van antiprotonen die is gecreëerd en vertraagd door de Antimateriefabriek. Wanneer een antiproton en een positron elkaar ontmoeten in de antiprotonwolk, geeft het positron zijn positron af aan het antiproton, wat resulteert in de vorming van antiwaterstof.
Met dit proces kan AEgIS positron bestuderen, een antimateriesysteem dat interessant is omdat het slechts twee puntdeeltjes bevat: het elektron en zijn antimaterie.
Het positron heeft echter een extreem korte levensduur van 142 miljardsten van een seconde en wordt vervolgens vernietigd in gammastraling. Om dit kortlevende deeltje te bestuderen, heeft het AEgIS-team met succes laserkoelingstechnieken toegepast op een monster van positronen.
Dit is een prestatie van het AEgIS-team. Door laserkoeling toe te passen op een positronmonster slaagden ze erin de temperatuur van het monster te verlagen van 380 graden Celsius naar 170 graden Celsius, een reductie van ruim de helft. Deze prestatie vormt een solide basis voor volgende experimenten en het team streeft ernaar de temperatuur verder te verlagen tot onder de 10 Kelvin.
Het succes van lasergekoelde positronen opent nieuwe mogelijkheden voor antimaterieonderzoek. Ten eerste heeft het zeer nauwkeurige metingen van materie-antimateriesystemen mogelijk gemaakt, waardoor nieuwe natuurkunde aan het licht is gekomen. Ten tweede heeft de techniek onderzoekers ook in staat gesteld positronische Bose-Einstein-condensaten te produceren, dit zijn condensaten waarin alle componenten dezelfde kwantumtoestand innemen. Men denkt dat dergelijke condensaten kandidaten zijn voor het genereren van coherent gammastralingslicht, wat onderzoekers naar verwachting een kijkje in de atoomkernen zal geven.
"Als het Bose-Einstein-condensaat van antimaterie coherent gammastralingslicht kan produceren, zal het een enorm krachtig hulpmiddel zijn op het gebied van fundamenteel en toegepast onderzoek, waardoor onderzoekers inzicht kunnen krijgen in de mysteries van atoomkernen." zei Ruggero Caravita.
Bedenk dat laserkoelingstechnologie drie jaar geleden voor het eerst werd toegepast op antimaterie-atomen. Het kernprincipe ligt in de geleidelijke vertraging van atomen door een cyclisch proces van fotonenabsorptie en -emissie, dat voornamelijk wordt gerealiseerd door smalbandige lasers die licht uitstralen in een klein frequentiebereik. Het AEgIS-team gebruikte echter een unieke breedbandlasertechnologie in hun onderzoek.
Ruggero Caravita legt verder uit: “Het voordeel van de breedbandlasertechniek is dat deze niet alleen een klein monster positronen effectief kan koelen, maar ook een veel groter monster positronen. Bovendien hebben we tijdens het proces geen gebruik gemaakt van externe elektrische of magnetische velden. het experiment, dat niet alleen de experimentele opzet vereenvoudigt, maar ook de levensduur van de positronen verlengt."
De AEgIS Collaboration heeft zijn onderzoeksresultaten op het gebied van positronlaserkoeling gedeeld met onafhankelijke teams die verschillende technieken gebruiken, en op dezelfde dag dit belangrijke resultaat op de arXiv preprint-server geplaatst ter referentie en informatie van onderzoekers over de hele wereld.