Прорыв: впервые в мире позитроний, охлаждаемый лазером

Команды физиков ЦЕРН и Токийского университета сделали большой шаг вперед на пути к пониманию летучей, короткоживущей частицы.

Используя лазер, разработанный в соответствии со спецификациями эксперимента, коллаборация AEgIS удалось снизить температуру облака позитрония более чем вдвое. Эта коллекция экзотических частиц состоит всего лишь из электрона и его античастицы, позитрона.

Тем временем группа из Исследовательской организации ускорителей высоких энергий в Японии под руководством физика Кенджи Шу из Токийского университета сократила температура облака позитрония примерно до Кельвина (-272 ° C), что значительно снижает общую скорость и распределение скоростей электронов и позитронов.

Позитроний — самая легкая из известных систем частиц, и она чрезвычайно нестабильна. . Материя и антиматерия аннигилируют друг друга, при этом испуская вспышку радиации. Позитроний аннигилирует за 142 миллиардные доли секунды, исчезая во вспышке гамма-лучей.

Кроме того, образуясь в облаках, необходимых для экспериментальных исследований, позитроний летает с огромным диапазоном скоростей, что делает его действительно сложно определить.

Один из способов решить эту проблему — охладить позитроний. Это замедлит его частицы и позволит провести более точные измерения его свойств.

Но это легче сказать, чем сделать. Газы можно замедлить несколькими способами, но многие методы требуют времени, например, удаление более энергичных частиц, поэтому распределение скоростей имеет тенденцию к замедлению.

Лазерное охлаждение — это метод снижения температуры, основанный на частицах. поглощая и излучая фотоны. Когда частица поглощает фотон, она получает энергию; когда он излучает фотон, он теряет энергию.

Если лазерный свет направлен вдоль пути входящих частиц, эти частицы будут поглощать фотон и повторно испускать его в случайном направлении, что меняет его импульс и замедляет его. Но длина волны лазерного света должна быть настроена на энергетический уровень частицы.

Учёные впервые предложили метод лазерного охлаждения позитрония несколько десятилетий назад, в 1988 году. Чтобы добиться этого, потребовалось до сих пор. .

Используя различные методы лазерного охлаждения, двум независимым командам удалось уменьшить распределение скоростей своих образцов и охладить их. Используя широкополосное лазерное охлаждение, направленное на широкое распределение скоростей, AEgIS удалось снизить температуру своего образца с 380 К до 170 К (от 106 °C до -103 °C) — снижение более чем вдвое.

Тем временем команда Шу использовала чирповое охлаждение, которое основано на настройке лазера в соответствии с замедлением частиц, чтобы уменьшить распределение движений частиц в собственном образце.

Есть много причин для этого. изучать антиматерию. Одна из самых важных задач — выяснить, куда все это делось.

Когда Вселенная сформировалась, в ней должно было быть равное количество как материи, так и антиматерии, но сейчас их распределение неравномерно (что это отличная новость для нас, потому что в противном случае Вселенная, вероятно, исчезла бы). Знание того, всегда ли антиматерия ведет себя так же, как материя, во многом поможет дать несколько ключей к разгадке этой тайны.

Физики также хотят создать бозе-эйнштейновский конденсат позитрония. Это когда облако частиц охлаждается чуть выше абсолютного нуля, в результате чего образуется облако частиц высокой плотности, которое действует как одна суперчастица. Физики полагают, что конденсат Бозе-Эйнштейна позитрония можно использовать для генерации когерентного гамма-излучения за счет самоуничтожения находящегося внутри позитрония.

Это мощный инструмент, который можно использовать для выявления тончайшая структура атомов, составляющих Вселенную.

«Конденсат антиматерии Бозе-Эйнштейна мог бы стать невероятным инструментом как для фундаментальных, так и для прикладных исследований», — объясняет представитель AEgIS Руджеро Каравита из ЦЕРН, — «особенно если бы это позволило производить когерентный гамма-свет, с помощью которого исследователи могли бы заглянуть в атомное ядро».

Работа коллаборации AEgIS была опубликована в Physical Review Letters.

Работа Шу и др. доступен в виде препринта на arXiv.