Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, Positroniumionen lasergekühlt zu machen!

In einer aktuellen Studie hat das AEgIS-System des Europäischen Zentrums für Kernforschung (CERN) erfolgreich Positroniumionen lasergekühlt und damit einen wichtigen Schritt in Richtung eines Materie-Antimaterie-Systems gemacht, das laserähnliche Gammastrahlen aussendet.
Die Ergebnisse dieses Experiments liefern nicht nur eine starke Unterstützung für hochpräzise Tests, ob Antimaterie und Materie auf die gleiche Weise auf die Erde fallen, sondern ebnen auch den Weg für eine völlig neue Reihe von Antimaterieforschung, einschließlich der Möglichkeit, Gammastrahlung zu erzeugen Laser.
Das Aegis-System (AEgIS) ist eines von mehreren Experimenten zur Herstellung und Untersuchung von Antiwasserstoffatomen in der Antimateriefabrik des CERN. Ziel ist es, mit hoher Präzision zu testen, ob Antimaterie und Materie auf die gleiche Weise auf die Erde fallen.
In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichtet die AEgIS-Kollaboration über eine experimentelle Leistung, die nicht nur zur Erreichung dieses Ziels beiträgt, sondern auch den Weg für eine völlig neue Reihe von Antimaterieforschung ebnet, einschließlich der Aussicht auf die Herstellung von Gammastrahlenlasern , was es Forschern ermöglichen würde, in den Kern eines Atoms hineinzuschauen und Anwendungen über die Physik hinaus zu nutzen.
Das Ziel von AEgIS, einem von mehreren Experimenten in der Antimaterie-Fabrik des CERN, ist die Untersuchung der Eigenschaften von Antiwasserstoffatomen. Um Anti-Wasserstoff (ein Positron, das sich um ein Antiproton dreht) zu erzeugen, lenkt AEgIS einen Strahl von Positronen (ein Elektron, das sich um ein Positron dreht) in eine Wolke aus Antiprotonen, die von der Antimaterie-Fabrik erzeugt und abgebremst wird. Wenn in der Antiprotonenwolke ein Antiproton und ein Positron aufeinandertreffen, gibt das Positron sein Positron an das Antiproton ab, was zur Bildung von Antiwasserstoff führt.
Dieser Prozess ermöglicht es AEgIS, Positronen zu untersuchen, ein Antimateriesystem, das deshalb interessant ist, weil es nur zwei Punktteilchen enthält – das Elektron und seine Antimaterie.
Allerdings hat das Positron eine extrem kurze Lebensdauer von 142 Milliardstel Sekunden und vernichtet sich anschließend zu Gammastrahlung. Um dieses kurzlebige Teilchen zu untersuchen, wandte das AEgIS-Team erfolgreich Laserkühlungstechniken auf eine Positronenprobe an.
Dies ist eine Leistung, die dem AEgIS-Team gelungen ist. Durch die Laserkühlung einer Positronenprobe gelang es ihnen, die Temperatur der Probe von 380 Grad Celsius auf 170 Grad Celsius zu senken, was einer Reduzierung um mehr als die Hälfte entspricht. Diese Leistung stellt eine solide Grundlage für nachfolgende Experimente dar und das Team möchte die Temperatur weiter auf unter 10 Kelvin senken.
Der Erfolg lasergekühlter Positronen eröffnet neue Möglichkeiten für die Antimaterieforschung. Erstens hat es hochpräzise Messungen von Materie-Antimaterie-Systemen ermöglicht und dabei geholfen, neue physikalische Aspekte aufzudecken. Zweitens hat die Technik es Forschern auch ermöglicht, positronische Bose-Einstein-Kondensate herzustellen, also Kondensate, in denen alle Komponenten denselben Quantenzustand einnehmen. Solche Kondensate gelten als Kandidaten für die Erzeugung kohärenten Gammastrahlenlichts, das Forschern einen Blick in das Innere von Atomkernen ermöglichen soll.
„Wenn das Bose-Einstein-Kondensat aus Antimaterie in der Lage ist, kohärentes Gammastrahlenlicht zu erzeugen, wird es ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug im Bereich der Grundlagen- und angewandten Forschung sein, das es Forschern ermöglicht, Einblicke in die Geheimnisse der Atomkerne zu gewinnen.“ sagte Ruggero Caravita.
Denken Sie daran, dass die Laserkühlungstechnologie vor drei Jahren erstmals auf Antimaterieatome angewendet wurde. Das Kernprinzip liegt in der allmählichen Verlangsamung von Atomen durch einen zyklischen Prozess der Photonenabsorption und -emission, der hauptsächlich durch schmalbandige Laser realisiert wird, die Licht in einem kleinen Frequenzbereich emittieren. Allerdings nutzte das AEgIS-Team bei seiner Forschung eine einzigartige Breitbandlasertechnologie.
Ruggero Caravita erklärt weiter: „Der Vorteil der Breitbandlasertechnik besteht darin, dass sie nicht nur eine kleine Positronenprobe, sondern auch eine viel größere Positronenprobe effektiv kühlen kann. Darüber hinaus haben wir währenddessen keine externen elektrischen oder magnetischen Felder verwendet.“ Das Experiment vereinfacht nicht nur den Versuchsaufbau, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Positronen.
Die AEgIS-Kollaboration hat ihre Forschungsergebnisse zur Positronenlaserkühlung mit unabhängigen Teams geteilt, die verschiedene Techniken anwenden, und dieses wichtige Ergebnis am selben Tag auf dem arXiv-Preprint-Server zur Referenz und Information von Forschern weltweit veröffentlicht.