Физики ЦЕРНа создали долгоживущий позитроний

Физики из эксперимента AEgIS (Антиводородный эксперимент: гравитация, интерферометрия, спектроскопия) в сотрудничестве с CERN нашли новый способ создания долгоживущих атомов позитрония, которые состоят из электрона и позитрона (аналога антивещества электрона) для гравитационных экспериментов с антиматерией.

Антиматерия (или антивещество) — это материя, состоящая из античастиц. Вселенная почти лишена антиматерии, и физики еще не выяснили, почему. Обнаружение любой небольшой разницы между поведением антивещества и вещества в гравитационном поле Земли может пролить свет на этот вопрос.

Атомы позитрония представляют собой тип атомов антивещества, который рассматривается для проверки того, падает ли антивещество с той же скоростью, что и обычное вещество в гравитационном поле Земли.

Но такие атомы недолговечны — они живут всего 142 наносекунды — слишком мало для проведения гравитационного эксперимента с антивеществом. Поэтому физики активно ищут уловки, чтобы сделать источники атомов позитрония, которые живут дольше.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Physical Review A, члены AEgIS Collaboration описали новый способ получения долгоживущего позитрония.

«Чтобы быть полезным для гравитационных экспериментов с антивеществом, источник атомов позитрония должен производить долгоживущие атомы в больших количествах и с известными скоростями, которыми можно управлять, и на которые не влияют такие помехи, как электрические и магнитные поля», — сказали они.

«Наш новый источник отвечает всем этим требованиям, производя около 80 000 атомов позитрония в минуту, которые существуют по 1140 наносекунд каждый и имеют известную скорость (от 70 до 120 км / с), которой можно управлять с высокой точностью (10 км / с)».

В чем уловка? Использование специального преобразователя позитрон-позитроний для производства атомов и одна вспышка ультрафиолетового лазерного излучения, которое убивает двух зайцев одним выстрелом. Лазер переводит атомы из электронного состояния с наименьшей энергией в долгоживущее состояние с более высокой энергией и может выбирать среди всех атомов только атомы с определенной скоростью.

Это не первый случай, когда исследователи создали источник долгоживущих атомов позитрония. Существуют и другие методы, в том числе метод, который включает приведение атомов в электронные состояния, называемые ридберговскими состояниями, и который также может быть использован для проведения гравитационных экспериментов с позитронием.

Но все они очень чувствительны к электрическим и магнитным полям, которые влияют на скорость атомов и должны быть учтены в будущих измерениях гравитации. Новый метод, разработанный AEgIS, «чище» в том смысле, что он практически нечувствителен к этим моментам.

Следующим шагом на долгом пути к измерению влияния гравитации на позитроний с новым источником AEgIS (команда AEgIS и другие коллаборации CERN в основном планируют проводить измерения с атомами антиводорода) будет подтверждение того, что полученные атомы являются электрически нейтральными.

Ускорительный комплекс CERN в настоящее время закрыт для проведения основной двухлетней программы модернизации, поэтому большинство экспериментов в лаборатории, требующих пучка протонов, перестали работать в этот период. Преимущество этого эксперимента с позитронием состоит в том, что для него не требуются протоны, поэтому он может продолжать работать и во время выключения.

C. Amsler et al. Velocity-selected production of 2S3 metastable positronium, Physical Review A (2019). DOI: 10.1103/PhysRevA.99.033405