AEgIS is een van de vele experimenten in de Antimateriefabriek van CERN die antiwaterstofatomen produceren en bestuderen met als doel met hoge precisie te testen of antimaterie en materie op dezelfde manier naar de aarde vallen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Physical Review Letters rapporteert de AEgIS-samenwerking een experimentele prestatie die niet alleen zal helpen dit doel te bereiken, maar ook de weg zal vrijmaken voor een geheel nieuwe reeks antimateriestudies, waaronder het vooruitzicht om een ​​gammastraallaser te produceren waarmee onderzoekers in het atoom kunnen kijken kern en hebben toepassingen buiten de natuurkunde.

Om antiwaterstof (een positron dat rond een antiproton draait) te creëren, stuurt AEgIS een straal positronium (een elektron dat rond een positron draait) in een wolk van antiprotonen die worden geproduceerd en vertraagd in de Antimateriefabriek. Wanneer een antiproton en positronium elkaar ontmoeten in de antiprotonwolk, geeft het positronium zijn positie op aan het antiproton en vormt zo een antiwaterstof.

Door op deze manier antiwaterstof te produceren, kan AEgIS ook positronium bestuderen, een op zichzelf staand antimateriesysteem dat wereldwijd door experimenten wordt onderzocht.

Positronium heeft een zeer korte levensduur en wordt in 142 miljardste van een seconde vernietigd in gammastraling. Omdat het echter slechts uit twee puntachtige deeltjes bestaat, het elektron, en zijn antimaterie-tegenhanger, "is het een perfect systeem om experimenten mee te doen", zegt AEgIS-woordvoerder Ruggero Caravita, "op voorwaarde dat, naast andere experimentele uitdagingen, een monster van positronium kan voldoende worden gekoeld om het met hoge precisie te meten."

Dit is de prestatie van het AEgIS-team. Door de techniek van laserkoeling toe te passen op een monster positronium is de samenwerking er al in geslaagd de temperatuur van het monster ruim te halveren van 380 naar 170 graden Kelvin. In vervolgexperimenten wil het team de barrière van 10 graden Kelvin doorbreken.

AEgIS' laserkoeling van positronium opent nieuwe mogelijkheden voor antimaterieonderzoek. Deze omvatten uiterst nauwkeurige metingen van de eigenschappen en het zwaartekrachtgedrag van dit exotische maar eenvoudige materie-antimateriesysteem, die nieuwe natuurkunde zouden kunnen onthullen. Het maakt ook de productie mogelijk van een positronium Bose-Einstein-condensaat, waarin alle bestanddelen dezelfde kwantumtoestand innemen.

Een dergelijk condensaat is voorgesteld als een kandidaat om coherent gammastralingslicht te produceren via de materie-antimaterie-vernietiging van de bestanddelen ervan:laserachtig licht dat bestaat uit monochromatische golven met een constant faseverschil daartussen.

"Een Bose-Einstein-condensaat van antimaterie zou een ongelooflijk hulpmiddel zijn voor zowel fundamenteel als toegepast onderzoek, vooral als het de productie van coherent gammastralingslicht mogelijk zou maken waarmee onderzoekers in de atoomkern zouden kunnen kijken", zegt Caravita.

Laserkoeling, die ongeveer drie jaar geleden voor het eerst werd toegepast op antimaterie-atomen, werkt door atomen beetje bij beetje te vertragen met laserfotonen in de loop van vele cycli van fotonenabsorptie en -emissie. Normaal gesproken gebeurt dit met behulp van een smalbandlaser, die licht uitstraalt met een klein frequentiebereik. Het AEgIS-team gebruikt daarentegen in hun onderzoek een breedbandlaser.

"Een breedbandlaser koelt niet alleen een klein maar een groot deel van het positroniummonster af", legt Caravita uit. "Bovendien hebben we het experiment uitgevoerd zonder een extern elektrisch of magnetisch veld aan te leggen, waardoor de experimentele opzet werd vereenvoudigd en de levensduur van positronium werd verlengd."

De AEgIS-samenwerking deelt zijn prestatie op het gebied van positroniumlaserkoeling met een onafhankelijk team, dat een andere techniek gebruikte en hun resultaat op de arXiv plaatste. preprint-server op dezelfde dag als AEgIS.

Meer informatie: L. T. Glöggler et al, Positroniumlaserkoeling via de 13S−23P-overgang met een breedbandlaserpuls, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.083402

K. Shu et al., Laserkoeling van positronium, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2310.08761

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Geleverd door CERN