Talking ScienceΜε την ψύξη του ποζιτρονίου με laser για πρώτη φορά, η AEgIS μπορεί επίσης να έκανε το πρώτο βήμα προς ένα σύστημα ύλης-αντιύλης που εκπέμπει φως ακτίνων γάμμα που μοιάζει με laser.
Το AEgIS είναι ένα από τα πολλά πειράματα στο Εργοστάσιο Αντιύλης του CERN που παράγει και μελετά άτομα αντιυδρογόνου με στόχο να ελέγξει με υψηλή ακρίβεια εάν η αντιύλη και η ύλη πέφτουν στη Γη με τον ίδιο τρόπο. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Physical Review Letters, η συνεργασία της AEgIS αναφέρει ένα πειραματικό επίτευγμα που όχι μόνο θα τη βοηθήσει να επιτύχει αυτόν τον στόχο, αλλά θα ανοίξει το δρόμο για ένα εντελώς νέο σύνολο μελετών αντιύλης, συμπεριλαμβανομένης της προοπτικής παραγωγής λέιζερ ακτίνων γάμμα που θα επέτρεπε στους ερευνητές να κοιτάξουν μέσα στον ατομικό πυρήνα και να έχουν εφαρμογές πέρα από τη φυσική.
Για να δημιουργήσει αντιυδρογόνο (ένα ποζιτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από ένα αντιπρωτόνιο), το AEgIS κατευθύνει μια δέσμη ποζιτρονίου (ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από ένα ποζιτρόνιο) σε ένα νέφος αντιπρωτονίων που παράγεται και επιβραδύνεται στο Εργοστάσιο Αντιύλης. Όταν ένα αντιπρωτόνιο και ένα ποζιτρόνιο συναντώνται στο αντιπρωτονιακό νέφος, το ποζιτρόνιο δίνει το ποζιτρόνιo του στο αντιπρωτόνιο, σχηματίζοντας αντιυδρογόνο.
Η συσκευή που χρησιμοποιεί η ομάδα AEgIS για την ψύξη ποζιτρονίων με laser. (Εικόνα: © 2024 CERN)
Η παραγωγή αντιυδρογόνου με αυτόν τον τρόπο σημαίνει ότι το AEgIS μπορεί επίσης να μελετήσει το ποζιτρόνιο, ένα σύστημα αντιύλης από μόνο του που διερευνάται από πειράματα παγκοσμίως. Το ποζιτρόνιο έχει πολύ μικρή διάρκεια ζωής, εκμηδενίζεται σε ακτίνες γάμμα σε 142 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Ωστόσο, επειδή περιλαμβάνει μόνο δύο σημειακά σωματίδια, το ηλεκτρόνιο και το αντίστοιχο της αντιύλης, «είναι ένα τέλειο σύστημα για πειράματα», λέει ο εκπρόσωπος της AEgIS, Ruggero Caravita, «με την προϋπόθεση ότι, μεταξύ άλλων πειραματικών προκλήσεων, ένα δείγμα ποζιτρονίου μπορεί να να κρυώσει αρκετά για να το μετρήσετε με υψηλή ακρίβεια».
Αυτό είναι το κατόρθωμα που πέτυχε η ομάδα AEgIS. Εφαρμόζοντας την τεχνική της ψύξης με laser σε ένα δείγμα ποζιτρονίου, η συνεργασία έχει ήδη καταφέρει να μειώσει περισσότερο από το μισό τη θερμοκρασία του δείγματος, από 380 σε 170 βαθμούς Κέλβιν. Σε πειράματα παρακολούθησης, η ομάδα στοχεύει να σπάσει το φράγμα των 10 βαθμών Κέλβιν.
Η ψύξη ποζιτρονίου με λέιζερ της AEgIS ανοίγει νέες δυνατότητες για έρευνα κατά της ύλης. Αυτές περιλαμβάνουν μετρήσεις υψηλής ακρίβειας των ιδιοτήτων και της βαρυτικής συμπεριφοράς αυτού του εξωτικού αλλά απλού συστήματος ύλης-αντιύλης, που θα μπορούσε να αποκαλύψει νέα φυσική. Επιτρέπει επίσης την παραγωγή ενός συμπυκνώματος ποζιτρονίου Bose–Einstein, στο οποίο όλα τα συστατικά καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Ένα τέτοιο συμπύκνωμα έχει προταθεί ως υποψήφιο για την παραγωγή συνεκτικού φωτός ακτίνων γάμμα μέσω της εκμηδένισης ύλης-αντιύλης των συστατικών του – φως που μοιάζει με λέιζερ που αποτελείται από μονοχρωματικά κύματα που έχουν σταθερή διαφορά φάσης μεταξύ τους.
«Ένα συμπύκνωμα αντιύλης Bose-Einstein θα ήταν ένα απίστευτο εργαλείο τόσο για θεμελιώδη όσο και για εφαρμοσμένη έρευνα, ειδικά αν επέτρεπε την παραγωγή συνεκτικού φωτός ακτίνων γάμμα με το οποίο οι ερευνητές θα μπορούσαν να κοιτάξουν μέσα στον ατομικό πυρήνα». λέει o Caravita.
Ruggero Caravita, εκπρόσωπος της AEgIS
Η ψύξη με λέιζερ, η οποία εφαρμόστηκε σε άτομα αντιύλης για πρώτη φορά πριν από περίπου τρία χρόνια, λειτουργεί επιβραδύνοντας τα άτομα λίγο-λίγο με φωτόνια λέιζερ κατά τη διάρκεια πολλών κύκλων απορρόφησης και εκπομπής φωτονίων. Αυτό γίνεται συνήθως χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ στενής ζώνης, το οποίο εκπέμπει φως με μικρό εύρος συχνοτήτων. Αντίθετα, η ομάδα της AEgIS χρησιμοποιεί ένα ευρυζωνικό λέιζερ στη μελέτη της.
«Ένα ευρυζωνικό λέιζερ ψύχει όχι μόνο ένα μικρό αλλά ένα μεγάλο μέρος του δείγματος ποζιτρονίου», εξηγεί o Caravita. «Επιπλέον, πραγματοποιήσαμε το πείραμα χωρίς να εφαρμόσουμε κανένα εξωτερικό ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο, απλοποιώντας την πειραματική διάταξη και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του ποζιτρονίου». Η συνεργασία της AEgIS μοιράζεται το επίτευγμα της για ψύξη λέιζερ ποζιτρονίου με μια ανεξάρτητη ομάδα, η οποία χρησιμοποίησε διαφορετική τεχνική και δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv την ίδια μέρα με την AEgIS.
Σχετικά με το CERN:
Το CERN, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Έρευνας, είναι ένα από τα κορυφαία εργαστήρια στον κόσμο για τη σωματιδιακή φυσική. Ο Οργανισμός βρίσκεται στα γαλλοελβετικά σύνορα, με έδρα τη Γενεύη. Τα κράτη μέλη του είναι: Αυστρία, Βέλγιο, Βουλγαρία, Τσεχία, Δανία, Φινλανδία, Γαλλία, Γερμανία, Ελλάδα, Ουγγαρία, Ισραήλ, Ιταλία, Ολλανδία, Νορβηγία, Πολωνία, Πορτογαλία, Ρουμανία, Σερβία, Σλοβακία, Ισπανία, Σουηδία, Ελβετία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Η Κύπρος, η Εσθονία και η Σλοβενία είναι συνδεδεμένα κράτη μέλη στο προ στάδιο της ένταξης. Η Κροατία, η Ινδία, η Λετονία, η Λιθουανία, το Πακιστάν, η Τουρκία και η Ουκρανία είναι συνδεδεμένα κράτη μέλη. Η Ιαπωνία και οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής έχουν επί του παρόντος καθεστώς Παρατηρητή, όπως και η Ευρωπαϊκή Ένωση και η UNESCO. Το καθεστώς παρατηρητή της Ρωσικής Ομοσπονδίας και του JINR αναστέλλεται σύμφωνα με τα ψηφίσματα του Συμβουλίου του CERN της 8ης Μαρτίου 2022 και της 25ης Μαρτίου 2022, αντίστοιχα.
Σχετικά με το AEgIS:
Η συνεργασία AEgIS αποτελείται από διάφορες ερευνητικές ομάδες από το CERN, το Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (units of Milan, Pavia and Istituto Trentino per la fisica fundamentale e le sue applications), το Πανεπιστήμιο του Όσλο, το Πανεπιστήμιο Paris-Saclay και το Centre National de la Επιστημονική Έρευνα, το Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ, το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας, το Πανεπιστήμιο του Τρέντο, το Jagiellonian University of Krakow, το Raman Research Institute of Bangalore, το Πανεπιστήμιο του Innsbruck, το Πανεπιστήμιο και το Πολυτεχνείου του Μιλάνου, το Πανεπιστήμιο της Brescia, το Πανεπιστήμιο Nicolaus Copernicus στο Τορούν, το Πανεπιστήμιο της Λετονίας, το Ινστιτούτο Φυσικής της Πολωνικής Ακαδημίας Επιστημών και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Πράγας.
