Trong một nghiên cứu gần đây, hệ thống AEgIS thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đã thành côngion positronium làm mát bằng laser, thực hiện một bước quan trọng hướng tới hệ thống phản vật chất phát ra tia gamma giống như tia laser.
Kết quả của thí nghiệm này không chỉ hỗ trợ mạnh mẽ cho việc kiểm tra độ chính xác cao xem phản vật chất và vật chất có rơi xuống Trái đất theo cùng một cách hay không mà còn mở đường cho một loạt nghiên cứu phản vật chất hoàn toàn mới, bao gồm cả khả năng tạo ra tia gamma. tia laser.
Hệ thống Aegis (AEgIS) là một trong một số thí nghiệm sản xuất và nghiên cứu các nguyên tử phản hydro tại Nhà máy Phản vật chất của CERN, với mục tiêu là kiểm tra với độ chính xác cao xem liệu phản vật chất và vật chất có rơi xuống Trái đất theo cùng một cách hay không.
Trong một bài báo được xuất bản gần đây trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm cộng tác AEgIS đã báo cáo về một kỳ tích thử nghiệm không chỉ giúp đạt được mục tiêu này mà còn mở đường cho một loạt nghiên cứu phản vật chất hoàn toàn mới, bao gồm cả triển vọng sản xuất tia laser tia gamma. , cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào hạt nhân nguyên tử bên trong và có những ứng dụng ngoài vật lý.
Mục tiêu của AEgIS, một trong nhiều thí nghiệm tại Nhà máy Phản vật chất của CERN, là nghiên cứu bản chất của các nguyên tử phản hydro. Để tạo ra phản hydro (một positron quay quanh phản proton), AEgIS hướng một chùm positron (một electron quay quanh positron) vào một đám mây phản proton được tạo ra và làm chậm lại bởi Nhà máy Phản vật chất. Khi một phản proton và một positron gặp nhau trong đám mây phản proton, positron sẽ nhường positron của nó cho phản proton, dẫn đến sự hình thành phản hydro.
Quá trình này cho phép AEgIS nghiên cứu positron, một hệ phản vật chất được quan tâm vì nó chỉ chứa hai hạt điểm - electron và phản vật chất của nó.
Tuy nhiên, positron có thời gian tồn tại cực kỳ ngắn, chỉ 142 phần tỷ giây và sau đó bị hủy thành tia gamma. Để nghiên cứu hạt có thời gian tồn tại ngắn này, nhóm AEgIS đã áp dụng thành công kỹ thuật làm mát bằng laser cho một mẫu positron.
Đây là một kỳ tích được thực hiện bởi nhóm AEgIS. Bằng cách áp dụng làm mát bằng laser cho mẫu positron, họ đã thành công trong việc giảm nhiệt độ của mẫu từ 380 độ C xuống 170 độ C, giảm hơn một nửa. Thành tích này cung cấp nền tảng vững chắc cho các thí nghiệm tiếp theo và nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu giảm hơn nữa nhiệt độ xuống dưới 10 Kelvin.
Sự thành công của positron làm mát bằng laser mở ra những khả năng mới cho nghiên cứu phản vật chất. Đầu tiên, nó có thể thực hiện được các phép đo có độ chính xác cao về các hệ vật chất-phản vật chất, giúp khám phá nền vật lý mới. Thứ hai, kỹ thuật này còn cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein positron, là những ngưng tụ trong đó tất cả các thành phần chiếm cùng một trạng thái lượng tử. Những chất ngưng tụ như vậy được cho là ứng cử viên để tạo ra ánh sáng tia gamma kết hợp, ánh sáng này được kỳ vọng sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu cái nhìn sâu hơn về bên trong hạt nhân nguyên tử.
“Nếu ngưng tụ phản vật chất Bose-Einstein có thể tạo ra ánh sáng tia gamma kết hợp, thì nó sẽ là một công cụ vô cùng mạnh mẽ trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng, cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về những bí ẩn của hạt nhân nguyên tử.” Ruggero Caravita nói.
Hãy nhớ lại rằng công nghệ làm mát bằng laser lần đầu tiên được áp dụng cho các nguyên tử phản vật chất cách đây ba năm. Nguyên tắc cốt lõi nằm ở việc làm chậm dần các nguyên tử thông qua quá trình hấp thụ và phát xạ photon theo chu kỳ, điều này chủ yếu được thực hiện bằng các tia laser dải hẹp phát ra ánh sáng ở dải tần số nhỏ. Tuy nhiên, nhóm AEgIS đã sử dụng công nghệ laser băng thông rộng độc đáo trong nghiên cứu của họ.
Ruggero Caravita giải thích thêm: “Ưu điểm của kỹ thuật laser băng thông rộng là nó có thể làm mát hiệu quả không chỉ một mẫu nhỏ positron mà còn cả mẫu positron lớn hơn nhiều. Ngoài ra, chúng tôi không sử dụng bất kỳ điện trường hoặc từ trường bên ngoài nào trong suốt quá trình. thí nghiệm, nó không chỉ đơn giản hóa việc thiết lập thí nghiệm mà còn kéo dài thời gian tồn tại của các positron.”
Nhóm cộng tác AEgIS đã chia sẻ kết quả nghiên cứu của mình về làm mát bằng laser positron với các nhóm độc lập sử dụng các kỹ thuật khác nhau và cùng ngày đã đăng kết quả quan trọng này lên máy chủ in sẵn arXiv để các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới tham khảo và cung cấp thông tin.
