AEgIS é um dos vários experimentos na Fábrica de Antimatéria do CERN que produz e estuda átomos de anti-hidrogênio com o objetivo de testar com alta precisão se a antimatéria e a matéria caem na Terra da mesma maneira.



Em um artigo publicado hoje em Physical Review Letters , a colaboração AEgIS relata um feito experimental que não só a ajudará a atingir esse objetivo, mas também abrirá caminho para todo um novo conjunto de estudos de antimatéria, incluindo a perspectiva de produzir um laser de raios gama que permitiria aos pesquisadores olhar para dentro do átomo atômico. núcleo e tem aplicações além da física.

Para criar o anti-hidrogênio (um pósitron orbitando um antipróton), o AEgIS direciona um feixe de positrônio (um elétron orbitando um pósitron) para uma nuvem de antiprótons produzidos e desacelerados na Fábrica de Antimatéria. Quando um antipróton e um positrônio se encontram na nuvem de antipróton, o positrônio cede sua posição ao antipróton, formando um anti-hidrogênio.

Produzir anti-hidrogénio desta forma significa que o AEgIS também pode estudar o positrónio, um sistema de antimatéria por direito próprio que está a ser investigado por experiências em todo o mundo.

O positrônio tem uma vida útil muito curta, aniquilando-se em raios gama em 142 bilionésimos de segundo. No entanto, por compreender apenas duas partículas pontuais, o elétron e sua contraparte de antimatéria, "é um sistema perfeito para fazer experimentos", diz o porta-voz da AEgIS, Ruggero Caravita, "desde que, entre outros desafios experimentais, uma amostra de positrônio pode ser resfriado o suficiente para medi-lo com alta precisão."

Esse é o feito realizado pela equipe AEgIS. Ao aplicar a técnica de resfriamento a laser a uma amostra de positrônio, a colaboração já conseguiu reduzir para mais da metade a temperatura da amostra, de 380 para 170 graus Kelvin. Em experimentos de acompanhamento, a equipe pretende quebrar a barreira dos 10 graus Kelvin.

O resfriamento de positrônio a laser da AEgIS abre novas possibilidades para a pesquisa de antimatéria. Estes incluem medições de alta precisão das propriedades e do comportamento gravitacional deste sistema exótico mas simples de matéria-antimatéria, que poderá revelar uma nova física. Também permite a produção de um condensado de positrônio Bose-Einstein, no qual todos os constituintes ocupam o mesmo estado quântico.

Tal condensado foi proposto como candidato para produzir luz de raios gama coerente através da aniquilação matéria-antimatéria de seus constituintes – luz semelhante a um laser composta de ondas monocromáticas que têm uma diferença de fase constante entre elas.

“Um condensado de antimatéria de Bose-Einstein seria uma ferramenta incrível tanto para a investigação fundamental como para a aplicada, especialmente se permitisse a produção de luz de raios gama coerente com a qual os investigadores pudessem perscrutar o núcleo atómico”, diz Caravita.

O resfriamento a laser, que foi aplicado a átomos de antimatéria pela primeira vez há cerca de três anos, funciona desacelerando os átomos pouco a pouco com fótons de laser ao longo de muitos ciclos de absorção e emissão de fótons. Isso normalmente é feito usando um laser de banda estreita, que emite luz com uma pequena faixa de frequência. Por outro lado, a equipe AEgIS usa um laser de banda larga em seu estudo.

“Um laser de banda larga resfria não apenas uma pequena, mas uma grande fração da amostra de positrônio”, explica Caravita. "Além disso, realizamos o experimento sem aplicar qualquer campo elétrico ou magnético externo, simplificando a configuração experimental e prolongando a vida útil do positrônio."

A colaboração AEgIS compartilha sua conquista de resfriamento a laser de positrônio com uma equipe independente, que utilizou uma técnica diferente e publicou seu resultado no arXiv servidor de pré-impressão no mesmo dia que o AEgIS.

Mais informações: L. T. Glöggler et al, Positronium Laser Cooling via the 13S-23P Transition with a Broadband Laser Pulse, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.083402
K. Shu et al, Resfriamento a laser de positrônio, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2310.08761

Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

Fornecido pelo CERN