Επιστήμονες πέτυχαν για πρώτη φορά ψύξη ιόντων ποζιτρονίου με λέιζερ!

Σε μια πρόσφατη μελέτη, το σύστημα AEgIS υπό το Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικής Έρευνας (CERN) ψύξε επιτυχώς ιόντα ποζιτρονίου με λέιζερ, κάνοντας ένα σημαντικό βήμα προς ένα σύστημα ύλης-αντιύλης που εκπέμπει ακτίνες γάμμα που μοιάζουν με λέιζερ.
Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος όχι μόνο παρέχουν ισχυρή υποστήριξη για δοκιμές υψηλής ακρίβειας για το εάν η αντιύλη και η ύλη πέφτουν στη Γη με τον ίδιο τρόπο, αλλά επίσης ανοίγουν το δρόμο για μια εντελώς νέα σειρά έρευνας κατά της ύλης, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας παραγωγής ακτίνων γάμμα λέιζερ.
Το σύστημα Aegis (AEgIS) είναι ένα από τα πολλά πειράματα που παράγουν και μελετούν άτομα αντι-υδρογόνου στο εργοστάσιο αντιύλης του CERN, στόχος του οποίου είναι να ελέγξει με μεγάλη ακρίβεια εάν η αντιύλη και η ύλη πέφτουν στη Γη με τον ίδιο τρόπο.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Physical Review Letters, η συνεργασία AEgIS αναφέρει ένα πειραματικό επίτευγμα που όχι μόνο βοηθά στην επίτευξη αυτού του στόχου, αλλά ανοίγει επίσης το δρόμο για μια ολόκληρη νέα σειρά έρευνας κατά της ύλης, συμπεριλαμβανομένης της προοπτικής παραγωγής λέιζερ ακτίνων γάμμα , που θα επέτρεπε στους ερευνητές να δουν μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου και να έχουν εφαρμογές πέρα ​​από τη φυσική.
Ο στόχος του AEgIS, ενός από τα πολλά πειράματα στο εργοστάσιο αντιύλης του CERN, είναι να μελετήσει τις ιδιότητες των ατόμων κατά του υδρογόνου. Για να δημιουργήσει αντι-υδρογόνο (ένα ποζιτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από ένα αντιπρωτόνιο), το AEgIS κατευθύνει μια δέσμη ποζιτρονίων (ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από ένα ποζιτρόνιο) σε ένα νέφος αντιπρωτονίων που δημιουργείται και επιβραδύνεται από το Εργοστάσιο Αντιύλης. Όταν ένα αντιπρωτόνιο και ένα ποζιτρόνιο συναντώνται στο αντιπρωτονιακό νέφος, το ποζιτρόνιο δίνει το ποζιτρόνιό του στο αντιπρωτόνιο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό αντι-υδρογόνου.
Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στο AEgIS να μελετήσει το ποζιτρόνιο, ένα σύστημα αντιύλης που παρουσιάζει ενδιαφέρον επειδή περιέχει μόνο δύο σημειακά σωματίδια - το ηλεκτρόνιο και την αντιύλη του.
Ωστόσο, το ποζιτρόνιο έχει εξαιρετικά μικρή διάρκεια ζωής 142 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου και στη συνέχεια εκμηδενίζεται σε ακτίνες γάμμα. Για να μελετήσει αυτό το βραχύβιο σωματίδιο, η ομάδα AEgIS εφάρμοσε με επιτυχία τεχνικές ψύξης με λέιζερ σε ένα δείγμα ποζιτρονίων.
Αυτό είναι ένα κατόρθωμα που πέτυχε η ομάδα της AEgIS. Εφαρμόζοντας ψύξη με λέιζερ σε ένα δείγμα ποζιτρονίων, πέτυχαν να μειώσουν τη θερμοκρασία του δείγματος από 380 βαθμούς Κελσίου σε 170 βαθμούς Κελσίου, μείωση περισσότερο από το μισό. Αυτό το κατόρθωμα παρέχει μια σταθερή βάση για τα επόμενα πειράματα και η ομάδα στοχεύει να μειώσει περαιτέρω τη θερμοκρασία κάτω από 10 Kelvin.
Η επιτυχία των ποζιτρονίων που ψύχονται με λέιζερ ανοίγει νέες δυνατότητες για έρευνα κατά της ύλης. Πρώτον, κατέστησε δυνατές μετρήσεις υψηλής ακρίβειας συστημάτων ύλης-αντιύλης, βοηθώντας στην αποκάλυψη νέας φυσικής. Δεύτερον, η τεχνική έδωσε επίσης τη δυνατότητα στους ερευνητές να παράγουν ποζιτρονικά συμπυκνώματα Bose-Einstein, τα οποία είναι συμπυκνώματα στα οποία όλα τα συστατικά καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Τέτοια συμπυκνώματα πιστεύεται ότι είναι υποψήφια για τη δημιουργία συνεκτικού φωτός ακτίνων γάμμα, το οποίο αναμένεται να προσφέρει στους ερευνητές μια ματιά στο εσωτερικό των ατομικών πυρήνων.
"Εάν το συμπύκνωμα αντιύλης Bose-Einstein είναι σε θέση να παράγει συνεκτικό φως ακτίνων γάμμα, θα είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό εργαλείο στον τομέα της βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας, επιτρέποντας στους ερευνητές να αποκτήσουν εικόνα για τα μυστήρια των ατομικών πυρήνων." είπε ο Ρουτζέρο Καραβίτα.
Θυμηθείτε ότι η τεχνολογία ψύξης λέιζερ εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε άτομα αντιύλης πριν από τρία χρόνια. Η βασική αρχή έγκειται στη σταδιακή επιβράδυνση των ατόμων μέσω μιας κυκλικής διαδικασίας απορρόφησης και εκπομπής φωτονίων, η οποία πραγματοποιείται κυρίως από λέιζερ στενής ζώνης που εκπέμπουν φως σε μικρή περιοχή συχνοτήτων. Ωστόσο, η ομάδα της AEgIS χρησιμοποίησε μια μοναδική ευρυζωνική τεχνολογία λέιζερ στην έρευνά της.
Ο Ruggero Caravita εξηγεί περαιτέρω, "Το πλεονέκτημα της τεχνικής ευρυζωνικού λέιζερ είναι ότι μπορεί να ψύχει αποτελεσματικά όχι μόνο ένα μικρό δείγμα ποζιτρονίων, αλλά και ένα πολύ μεγαλύτερο δείγμα ποζιτρονίων. Επιπλέον, δεν χρησιμοποιήσαμε κανένα εξωτερικό ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια το πείραμα, το οποίο όχι μόνο απλοποιεί την πειραματική διάταξη αλλά και παρατείνει τη διάρκεια ζωής των ποζιτρονίων».
Η Συνεργασία AEgIS μοιράστηκε τα ερευνητικά της αποτελέσματα σχετικά με την ψύξη με λέιζερ ποζιτρονίων με ανεξάρτητες ομάδες που χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές και την ίδια μέρα δημοσίευσε αυτό το σημαντικό αποτέλεσμα στον preprint server arXiv για αναφορά και ενημέρωση ερευνητών σε όλο τον κόσμο.