Attualmente, uno degli obiettivi principali della scienza ultrafredda è raffreddare gli atomi di antiidrogeno il più vicino possibile allo zero assoluto. L'antiidrogeno ultrafreddo aprirebbe la strada a esperimenti sull'antimateria ultraprecisi che potrebbero aiutare a rispondere ad alcune delle domande più sconcertanti sull'antimateria. Per esempio, come agisce la gravità sull'antimateria? Perché non vediamo alcuna antimateria nell'universo? E sarebbe possibile creare antiatomi di tutti gli elementi dalla tavola periodica in laboratorio?

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , un team di fisici tedeschi e statunitensi ha studiato uno dei candidati più promettenti per il preraffreddamento dell'antiidrogeno, che è lo ione lantanio caricato negativamente.

Il motivo per cui gli anioni di lantanio possono svolgere un ruolo chiave negli esperimenti sull'antimateria è che hanno le proprietà elettroniche giuste per subire il raffreddamento laser, una procedura che può raffreddare un sistema fino ad alcune delle temperature più fredde possibili. Una volta che gli anioni di lantanio sono raffreddati al laser, possono quindi essere usati per raffreddare in modo simpatico gli antiprotoni, che sono uno dei due costituenti di base degli atomi di antiidrogeno (l'altro è il positrone, che è un elettrone con carica positiva). L'antiidrogeno ultrafreddo può quindi essere prodotto dagli antiprotoni che sono stati raffreddati per simpatia dagli anioni raffreddati al laser.

Per attuare con successo questo approccio, però, è necessario studiare diverse proprietà dell'anione di lantanio in relazione al raffreddamento del laser. Come spiegano gli scienziati nel nuovo articolo, la complicata struttura elettronica degli anioni di lantanio rende questo tipo di analisi molto impegnativo, e gli sforzi precedenti hanno portato a grandi incongruenze tra dati teorici e sperimentali.

Per affrontare queste sfide, gli scienziati hanno eseguito nuovi esperimenti utilizzando tecniche di spettroscopia all'avanguardia, e ha anche presentato un nuovo approccio teorico. Nel loro approccio teorico, hanno separato il trattamento delle correlazioni elettroniche in due problemi. Poiché l'anione di lantanio ha 58 elettroni, i ricercatori hanno trattato l'anione di lantanio come un nucleo simile allo xeno (con 54 elettroni) con quattro elettroni di valenza aggiuntivi. Affrontando separatamente gli elettroni del nucleo e gli elettroni di valenza, sono stati in grado di calcolare dati teorici che corrispondevano da vicino ai dati sperimentali. Uno dei risultati incoraggianti è stato che hanno trovato una transizione di raffreddamento più forte del previsto, che suggerisce il potenziale promettente degli anioni di lantanio per la produzione di antiidrogeno ultrafreddo.

"Abbiamo ora completamente caratterizzato la transizione rilevante nell'anione di lantanio, compresi tutti i suoi canali di decadimento, e sappiate che lo ione può essere raffreddato al laser. Esattamente 40 anni dopo il primo raffreddamento laser di uno ione positivo, il raffreddamento laser di uno ione negativo è dietro l'angolo, " coautore Alban Kellerbauer, presso l'Istituto Max Planck di Fisica Nucleare, detto Phys.org . "Riassumere, abbiamo misurato accuratamente la frequenza di transizione e, più importante, la sezione trasversale (che può essere utilizzata per calcolare direttamente la velocità di transizione). I calcoli teorici erano principalmente sui rapporti di ramificazione e anche sui tassi di transizione, compreso quello misurato della transizione di raffreddamento del laser. I valori calcolati e misurati (del coefficiente di Einstein, che è ancora un altro modo di esprimere la sezione/tasso) sono d'accordo, che supporta le incertezze molto più piccole dei valori calcolati rispetto agli sforzi precedenti."

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