AEgIS è uno dei numerosi esperimenti presso la Antimatter Factory del CERN che producono e studiano atomi di antiidrogeno con l'obiettivo di testare con alta precisione se l'antimateria e la materia cadono sulla Terra nello stesso modo.
In un articolo pubblicato oggi su Physical Review Letters , la collaborazione AEgIS riporta un'impresa sperimentale che non solo aiuterà a raggiungere questo obiettivo, ma aprirà anche la strada a una serie completamente nuova di studi sull'antimateria, inclusa la prospettiva di produrre un laser a raggi gamma che consentirebbe ai ricercatori di guardare all'interno dell'atomo. nucleo e hanno applicazioni oltre la fisica.
Per creare antiidrogeno (un positrone in orbita attorno a un antiprotone), AEgIS dirige un raggio di positronio (un elettrone in orbita attorno a un positrone) in una nuvola di antiprotoni prodotta e rallentata nella Fabbrica dell'Antimateria. Quando un antiprotone e un positronio si incontrano nella nube di antiprotoni, il positronio cede la sua posizione all'antiprotone, formando un antiidrogeno.
Produrre antiidrogeno in questo modo significa che AEgIS può anche studiare il positronio, un sistema di antimateria a sé stante che viene studiato mediante esperimenti in tutto il mondo.
Il positronio ha una vita molto breve, annichilandosi in raggi gamma in 142 miliardesimi di secondo. Tuttavia, poiché comprende solo due particelle puntiformi, l'elettrone e la sua controparte antimateria, "è un sistema perfetto con cui fare esperimenti", afferma il portavoce dell'AEgIS Ruggero Caravita, "a condizione che, tra le altre sfide sperimentali, un campione di positronio può essere sufficientemente raffreddato per misurarlo con alta precisione."
Questa è l'impresa compiuta dal team AEgIS. Applicando la tecnica del raffreddamento laser a un campione di positronio, la collaborazione è già riuscita a più che dimezzare la temperatura del campione da 380 a 170 gradi Kelvin. Negli esperimenti successivi, il team mira a rompere la barriera dei 10 gradi Kelvin.
Il raffreddamento laser del positronio di AEgIS apre nuove possibilità per la ricerca sull'antimateria. Questi includono misurazioni ad alta precisione delle proprietà e del comportamento gravitazionale di questo esotico ma semplice sistema materia-antimateria, che potrebbe rivelare nuova fisica. Consente inoltre la produzione di un condensato di Bose-Einstein di positronio, in cui tutti i costituenti occupano lo stesso stato quantico.
Un tale condensato è stato proposto come candidato per produrre luce coerente di raggi gamma attraverso l'annichilazione materia-antimateria dei suoi costituenti:luce simile al laser composta da onde monocromatiche che hanno una differenza di fase costante tra loro.
"Un condensato di antimateria di Bose-Einstein sarebbe uno strumento incredibile sia per la ricerca fondamentale che per quella applicata, soprattutto se consentisse la produzione di luce gamma coerente con la quale i ricercatori potrebbero scrutare il nucleo atomico", afferma Caravita.
Il raffreddamento laser, applicato per la prima volta agli atomi di antimateria circa tre anni fa, funziona rallentando gli atomi poco a poco con fotoni laser nel corso di molti cicli di assorbimento ed emissione di fotoni. Questo viene normalmente fatto utilizzando un laser a banda stretta, che emette luce con una piccola gamma di frequenze. Al contrario, nel loro studio il team AEgIS utilizza un laser a banda larga.
"Un laser a banda larga raffredda non solo una piccola ma una grande frazione del campione di positronio", spiega Caravita. "Inoltre, abbiamo condotto l'esperimento senza applicare alcun campo elettrico o magnetico esterno, semplificando la configurazione sperimentale ed estendendo la durata del positronio."
La collaborazione AEgIS condivide il risultato raggiunto nel raffreddamento del laser al positronio con un team indipendente, che ha utilizzato una tecnica diversa e ha pubblicato il risultato su arXiv server di prestampa lo stesso giorno di AEgIS.
Ulteriori informazioni: L. T. Glöggler et al, Raffreddamento laser al positronio tramite la transizione 13S−23P con un impulso laser a banda larga, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.083402
K. Shu et al, Raffreddamento laser del positronio, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2310.08761
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , arXiv
Fornito dal CERN
