W niedawnym badaniu system AEgIS w ramach Europejskiego Centrum Badań Jądrowych (CERN) pomyślnie się sprawdziłchłodzone laserowo jony pozytonowe, co stanowi ważny krok w kierunku układu materia-antymateria emitującego laserowe promienie gamma.
Wyniki tego eksperymentu nie tylko stanowią silne wsparcie dla bardzo precyzyjnych testów tego, czy antymateria i materia spadają na Ziemię w ten sam sposób, ale także torują drogę dla zupełnie nowego zakresu badań nad antymaterią, w tym możliwości wytwarzania promieniowania gamma lasery.
System Aegis (AEgIS) to jeden z kilku eksperymentów produkujących i badających atomy antywodoru w Fabryce Antymaterii w CERN, którego celem jest sprawdzenie z dużą precyzją, czy antymateria i materia spadają na Ziemię w ten sam sposób.
W artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Physical Review Letters współpraca AEgIS donosi o wyczynie eksperymentalnym, który nie tylko pomaga osiągnąć ten cel, ale także toruje drogę dla zupełnie nowego zakresu badań nad antymaterią, w tym perspektywy produkcji laserów promieni gamma , co pozwoliłoby badaczom zajrzeć do wnętrza jądra atomu i mieć zastosowania wykraczające poza fizykę.
Celem AEgIS, jednego z kilku eksperymentów w Fabryce Antymaterii w CERN, jest zbadanie natury atomów antywodoru. Aby wytworzyć antywodór (pozyton wirujący wokół antyprotonu), AEgIS kieruje wiązkę pozytonów (elektron wirujący wokół pozytonu) w chmurę antyprotonów wytworzoną i spowalnianą przez Fabrykę Antymaterii. Kiedy antyproton i pozyton spotykają się w chmurze antyprotonu, pozyton oddaje swój pozyton antyprotonowi, w wyniku czego powstaje antywodór.
Proces ten umożliwia AEgIS badanie pozytonu, układu antymaterii, który jest interesujący, ponieważ zawiera tylko dwie cząstki punktowe – elektron i jego antymaterię.
Jednakże pozyton ma niezwykle krótki czas życia, wynoszący 142 miliardowe części sekundy, po czym anihiluje w promieniach gamma. Aby zbadać tę krótkotrwałą cząstkę, zespół AEgIS z powodzeniem zastosował techniki chłodzenia laserowego do próbki pozytonów.
Jest to wyczyn dokonany przez zespół AEgIS. Stosując chłodzenie laserowe próbki pozytonów, udało im się obniżyć temperaturę próbki z 380 stopni Celsjusza do 170 stopni Celsjusza, co stanowi redukcję o ponad połowę. Wyczyn ten zapewnia solidną podstawę do kolejnych eksperymentów, a zespół zamierza jeszcze bardziej obniżyć temperaturę do poziomu poniżej 10 kelwinów.
Sukces chłodzonych laserowo pozytonów otwiera nowe możliwości badań nad antymaterią. Po pierwsze, umożliwiło to bardzo precyzyjne pomiary układów materia-antymateria, pomagając odkryć nową fizykę. Po drugie, technika ta umożliwiła także naukowcom wytwarzanie kondensatów pozytonów Bosego-Einsteina, czyli kondensatów, w których wszystkie składniki zajmują ten sam stan kwantowy. Uważa się, że takie kondensaty są kandydatami do generowania spójnego światła gamma, które ma umożliwić badaczom wgląd do jąder atomowych.
„Jeśli kondensat antymaterii Bosego-Einsteina będzie w stanie wytworzyć spójne światło gamma, będzie to niezwykle potężne narzędzie w dziedzinie badań podstawowych i stosowanych, umożliwiające badaczom uzyskanie wglądu w tajemnice jąder atomowych”. – powiedział Ruggero Caravita.
Przypomnijmy, że technologię chłodzenia laserowego po raz pierwszy zastosowano do atomów antymaterii trzy lata temu. Podstawowa zasada polega na stopniowym spowalnianiu atomów w wyniku cyklicznego procesu absorpcji i emisji fotonów, realizowanego głównie przez lasery wąskopasmowe, które emitują światło w małym zakresie częstotliwości. Jednakże zespół AEgIS wykorzystał w swoich badaniach unikalną technologię szerokopasmowego lasera.
Ruggero Caravita wyjaśnia dalej: „Zaletą techniki lasera szerokopasmowego jest to, że może ona skutecznie chłodzić nie tylko małą próbkę pozytonów, ale także znacznie większą próbkę pozytonów. Ponadto nie korzystaliśmy podczas procesu z żadnych zewnętrznych pól elektrycznych ani magnetycznych. eksperymentu, który nie tylko upraszcza konfigurację eksperymentu, ale także wydłuża czas życia pozytonów.”
Współpraca AEgIS udostępniła wyniki swoich badań nad chłodzeniem laserem pozytonowym niezależnym zespołom stosującym różne techniki i tego samego dnia opublikowała ten ważny wynik na serwerze preprintów arXiv w celach informacyjnych i referencyjnych dla badaczy na całym świecie.
