Investigadores del CERN y la Universidad de Tokio han enfriado con láser nubes de positronio de forma independiente. El avance debería facilitar la realización de mediciones precisas de las propiedades de la antimateria y permitir a los investigadores producir más antihidrógeno.
El positronio es un estado unido similar a un átomo de un electrón y su antipartícula, el positrón. Como híbrido de materia y antimateria, se crea en el laboratorio para permitir a los físicos estudiar las propiedades de la antimateria. Estos estudios podrían revelar física más allá del modelo estándar y podrían explicar por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo visible.
Actualmente, el positronio se crea en nubes "cálidas" en las que los átomos tienen una gran distribución de velocidades. Esto dificulta la espectroscopia de precisión porque el movimiento de un átomo contribuye a un ligero desplazamiento Doppler en la luz que emite y absorbe. El resultado es una ampliación de las líneas espectrales medidas, lo que dificulta ver pequeñas diferencias entre los espectros predichos por el modelo estándar y las observaciones experimentales.
Más antihidrógeno
"Este resultado tiene varios impactos", dice el profesor de la Universidad de Oslo. Antonio Camper, físico láser y miembro de AEgIS. "Al reducir la velocidad del positronio, podemos producir uno o dos órdenes de magnitud más de antihidrógeno". El antihidrógeno es un antiátomo que comprende un positrón y un antiprotón y es de gran interés para los físicos.
Camper también dice que la investigación allana el camino para utilizar positronio para probar aspectos actuales del Modelo Estándar, como la electrodinámica cuántica (QED), que predice líneas espectrales específicas. "Hay efectos QED muy finos que se pueden investigar con positronio porque está compuesto por sólo dos leptones y, por lo tanto, es muy sensible a cosas como la interacción de la fuerza débil", explica.
Propuesto por primera vez en 1988, han sido necesarias décadas para lograr el enfriamiento del positronio con láser. "El positronio no coopera porque no es estable", dice Jeffrey Hangst de la Universidad de Aarhus de Dinamarca. Es portavoz de ALPHA, el experimento de antihidrógeno del CERN. "Se aniquila después de 140 ns y es el sistema atómico más ligero que podemos crear, lo que plantea toda una serie de dificultades".
La corta vida útil del átomo se debe en parte al proceso de aniquilación entre electrones y positrones. Esto significa que los pulsos láser deben interactuar con la nube de positronio más rápido de lo que se desintegra el positronio.
El equipo de AEgIS comienza el proceso de enfriamiento conteniendo una nube de positrones en una trampa Penning. Este utiliza campos eléctricos y magnéticos estáticos para confinar partículas cargadas.
Luego, los positrones se disparan a través de un convertidor de silicio de nanocanales. Después de dispersarse y perder energía, los positrones se unen a los electrones en la superficie del convertidor, creando positronio. Esta etapa actúa como un paso de preenfriamiento antes de que los átomos de positronio se recojan en una cámara de vacío, donde se enfrían con láser.
Interacciones de fotones
El proceso de enfriamiento implica que los átomos absorban y reemitan fotones de un láser, perdiendo energía cinética en el proceso. La longitud de onda de la luz es tal que sólo es absorbida por los átomos que se mueven hacia el láser. Luego, estos átomos emiten fotones en direcciones aleatorias, enfriándolos.
El equipo utilizó un láser con un medio de ganancia de alejandrita, que según Camper es ideal porque produce un gran ancho de banda espectral que es capaz de enfriar partículas con una gran distribución de velocidades. Una vez enfriada, se mide la temperatura de la nube de positronio con una sonda láser. El equipo de AeGIS pudo reducir su temperatura de 380 K a 170 K.
"De hecho, hemos demostrado que estamos alcanzando el límite de eficiencia del enfriamiento para el tiempo de interacción que usábamos para el enfriamiento Doppler tradicional", dijo Camper.
Nueva investigación sobre antimateria
Lograr enfriar el positronio a bajas temperaturas podría abrir nuevas formas de estudiar la antimateria. El positronio es un buen banco de pruebas para las teorías fundamentales. Hangst dice: "Hay dos cosas que realmente deberíamos entender en física atómica, una es el hidrógeno y la otra es el positronio, porque solo tienen dos cuerpos".
La espectroscopía de precisión puede determinar los niveles de energía del átomo de positronio y ver si coinciden con las predicciones existentes realizadas por QED. De manera similar, los niveles de energía del positronio pueden usarse para investigar los efectos de la gravedad sobre la antimateria.
Primera imagen de positronio registrada durante una exploración PET
Sin embargo, Christopher Baker, físico ALPHA de la Universidad de Swansea, afirma que a los científicos todavía les queda un largo camino por recorrer antes de poder realizar análisis espectrales de precisión. "Para conseguir algo útil, necesitamos reducirlo a unos 50 K", afirmó. Todavía hay cosas que el equipo puede hacer para bajar las temperaturas, como enfriar criogénicamente los convertidores objetivo o incorporar un segundo láser.
"Creo que están en el camino correcto, pero cada vez será más difícil hacer más y más frío", dijo Baker.
Hangst está de acuerdo en que pasará algún tiempo antes de que los investigadores puedan lograr su objetivo de crear un condensado de Bose-Einstein a partir de positronio.
La investigación se describe en Physical Review Letters. En una preprint que aún no ha sido revisado por pares, Yoshioka Kosuke y colegas de la Universidad de Tokio describen una nueva técnica de enfriamiento por láser que ha enfriado un gas positronio.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/matter-antimatter-gas-of-positronium-is-laser-cooled/
