Hlajenje z lasersko svetlobo

Z uporabo tehnike laserskega hlajenja vzorca pozitronija je eksperimentu AEgIS v CERN-u prvič doslej uspelo znižati temperaturo vzorca pozitronija s 380 na 170 stopinj kelvinov. To je eksperimentalni dosežek, ki bo pomagal tlakovati pot za povsem nove študije antimaterije. Eksperiment z antimaterijo – gravitacija, interferometrija, spektroskopija (AEgIS) ali AD-6 je eksperiment v napravi Antiproton Decelerator v CERN-u. Njegov glavni cilj je neposredno izmeriti učinek Zemljinega gravitacijskega polja na atome antivodika s precejšnjo natančnostjo.

AEgIS je eden od več poskusov v CERN-ovi tovarni antimaterije, ki proizvaja in proučuje atome antivodika, da bi zelo natančno preverili, ali antimaterija in snov padata na Zemljo na enak način. V članku objavljenem v najpomembnejši svetovni reviji za fiziko, obenem najbolj citirani reviji na področju fizike in osmi najbolj citirani reviji na področju znanosti Physical Review Letters, sodelovanje AEgIS poroča o eksperimentalnem dosežku, ki ne bo le pomagal doseči ta cilj, temveč bo tudi utrl pot za povsem nove študije antimaterije, vključno z možnostjo izdelave laserja gama, ki bi raziskovalcem omogočil vpogled v atomsko jedro in bi se lahko uporabljal tudi zunaj področja fizike.

Za ustvarjanje antivodika (pozitron, ki kroži okoli antiprotona) AEgIS usmeri žarek pozitronija (elektron, ki kroži okoli pozitrona) v oblak antiprotonov, ki so nastali in se upočasnili v tovarni antimaterije. Ko se antiproton in pozitronij srečata v antiprotonskem oblaku, pozitronij odda svoj pozitron antiprotonu, pri čemer nastane antivodik. Proizvodnja antivodika na ta način pomeni, da lahko AEgIS proučuje tudi pozitronij, samostojen sistem antimaterije, ki ga raziskujejo s poskusi po vsem svetu.

Življenjska doba pozitronija je zelo kratka, saj v 142 milijardinkah sekunde razpade v žarke gama. Ker pa ga sestavljata le dva točkasta delca, elektron in njegov antimaterijski kolega, »je to popoln sistem za izvajanje poskusov«, pravi predstavnik AEgIS italijanski fizik dr. Ruggero Caravita, »pod pogojem, da je med drugimi eksperimentalnimi izzivi vzorec pozitronija mogoče dovolj ohladiti, da ga lahko izmerimo z visoko natančnostjo«.

To je podvig, ki ga je dosegla ekipa AEgIS. Z uporabo tehnike laserskega hlajenja na vzorcu pozitronija je sodelovanje že uspelo več kot prepoloviti temperaturo vzorca, in sicer s 380 na 170 stopinj kelvinov. V nadaljnjih poskusih želi ekipa preseči mejo 10 stopinj kelvina.

Na fotografiji je predstavljena naprava, ki jo ekipa AEgIS uporablja za lasersko hlajenje pozitronija.

Foto: CERN

Do rezultatov s širokopasovnim laserjem

Lasersko hlajenje pozitronija, ki ga izvaja AEgIS, odpira nove možnosti za raziskave antimaterije. Te vključujejo zelo natančne meritve lastnosti in gravitacijskega obnašanja tega eksotičnega, a preprostega sistema materije in antimaterije, ki bi lahko razkrile nove fizikalne pojave. Omogoča tudi proizvodnjo Bose-Einsteinovega kondenzata pozitronija, v katerem vse sestavine zasedajo isto kvantno stanje. Takšen kondenzat je bil predlagan kot kandidat za proizvodnjo koherentne svetlobe gama z anihilacijo snovi (oz. združitev osnovnega delca in antidelca, pri čemer nastane sevalna energija) in antimaterije njegovih sestavin – laserju podobne svetlobe, sestavljene iz monokromatskih valov, med katerimi je konstantna fazna razlika.

»Bose-Einsteinov kondenzat antimaterije bi bil neverjetno orodje za temeljne in uporabne raziskave, zlasti če bi omogočal proizvodnjo koherentne svetlobe gama, s katero bi raziskovalci lahko pogledali v atomsko jedro,« je pojasnil dr. Caravita.

Lasersko hlajenje, ki je bilo prvič uporabljeno za atome antimaterije pred približno tremi leti, deluje tako, da z laserskimi fotoni upočasnjuje atome po koščkih v številnih ciklih absorpcije in emisije fotonov. Običajno se za to uporablja ozkopasovni laser, ki oddaja svetlobo z majhnim frekvenčnim območjem. Ekipa AEgIS pa v svoji študiji uporablja širokopasovni laser. »Širokopasovni laser ne ohladi le majhnega, temveč velik del pozitronijevega vzorca,« je dodal dr. Caravita in sklenil: »Poleg tega smo poskus izvedli brez uporabe zunanjega električnega ali magnetnega polja, s čimer smo poenostavili eksperimentalno postavitev in podaljšali življenjsko dobo pozitronija.«

Sodelovanje AEgIS si dosežek laserskega hlajenja pozitronija deli z neodvisno ekipo japonskih znanstvenikov, ki je uporabila drugačno tehniko in svoj rezultat objavila na strežniku arXiv.

AEgIS uporablja snop antiprotonov iz antiprotonskega pospeševalnika za merjenje vrednosti Zemljinega težnostnega pospeška. Glavni znanstveni cilj eksperimenta z antivodikom je neposredna meritev Zemljinega gravitacijskega pospeška, g, na antivodiku.

Pri projektu AEgIS sodelujejo fiziki iz številnih evropskih držav in Indije. V trenutni fazi eksperimenta sodelovanje uporablja antiprotone iz antiprotonskega pospeševalnika za izdelavo pulznega snopa atomov antivodika. Nato bodo snop antivodika spustili skozi instrument, imenovan Moirjev deflektometer, povezan z detektorjem, občutljivim na položaj, da bi izmerili moč gravitacijske interakcije med snovjo in antimaterijo z natančnostjo 1 %.

Sistem rešetk v deflektometru razdeli žarek antivodika na vzporedne žarke, ki tvorijo periodični vzorec. Na podlagi tega vzorca lahko fiziki izmerijo, za koliko se antivodikov žarek spusti med vodoravnim letom. Če ta premik združijo s časom, ki ga vsak atom potrebuje za let in padec, lahko ekipa AEgIS določi moč gravitacijske sile med Zemljo in atomi antivodika.

Leta 2018 je AEgIS demonstriral prvo pulzno proizvodnjo atomov antivodika z interakcijo pulzno proizvedenega pozitronija (atoma, sestavljenega samo iz elektrona in pozitrona) s hladnimi, ujetimi antiprotoni. To je bil nujen korak k potrebnemu pulznemu snopu antivodika, odpira pa tudi vrata drugim fizikalnim temam, ki temeljijo na oblikovanju snopov pulzno proizvedenega pozitronija in tudi pulzno proizvedenih antiprotonskih atomov, kjer krožeči elektron atoma nadomesti antiproton.