Nasi naukowcy w przełomowym eksperymencie CERN-u

W ramach projektu AEgIS zespół naukowców zdołał schłodzić próbkę pozytonium światłem laserowym i otworzyć tym samym drogę do nowych badań nad antymaterią. Eksperyment został opisany w artykule opublikowanym w „Physical Review Letters”.

Celem eksperymentu AEgIS jest bardzo dokładne zmierzenie przyspieszenia, z jakim neutralny atom antywodoru spada w polu grawitacyjnym Ziemi, a także sprawdzenie tzw. słabej zasady równoważności (swobodny spadek dowolnego ciała zupełnie nie zależy od jego masy, składu, ani struktury wewnętrznej) dla obiektów zbudowanych z antymaterii.

Jak opisuje CERN w komunikacie dotyczącym publikacji, aby stworzyć antywodór, czyli pozyton krążący wokół antyprotonu, AEgIS kieruje wiązkę antyprotonów wyprodukowanych i spowolnionych w tzw. fabryce antymaterii w kierunku chmury pozytonowej, czyli atomów złożonych z elektronu oraz pozytonu. Chmura jest wytwarzana poprzez umieszczenie pozytonów w nanoporowatej krzemionce – około jeden na trzy pozytony tworzy pozytonium. Gdy antyproton i pozyton spotykają się w chmurze pozytonium, oddaje ona swój pozyton antyprotonowi, tworząc antywodór.

Chłodzenie laserem

Taki sposób tworzenia antywodoru oznacza, że naukowcy mogą również badać pozytonium. Problemem jest jednak jego bardzo krótki czas trwania, rozpada się bowiem na kwanty gamma w ciągu 142 miliardowych części sekundy. Mimo tej wady, jego prosta budowa sprawia, że jest szalenie atrakcyjny badawczo, pozwala bowiem na poszukiwania nowych zjawisk fizycznych z większą precyzją. To wymaga jednak ekstremalnego chłodzenia próbki pozytonium.

Sukces autorów artykułu polega na zmniejszeniu temperatury takiej próbki z 380 do 170 stopni w skali Kelvina. Do tego celu badacze użyli nietypowego, bo szerokopasmowego lasera, który jest w stanie schłodzić większą część próbki.

Co więcej, badania zespołu mogą umożliwić prowadzenie wysoce precyzyjnych pomiarów układów materia-antymateria, które z kolei mają potencjał odkrycia zasad nowej fizyki. W dalszej perspektywie eksperyment AEgIS mógłby skutkować wytworzeniem lasera promieniowania gamma, nowego narzędzia do wykorzystania w badaniach podstawowych i aplikacyjnych.

Rola ekspertów z PW

– Zespół z Politechniki Warszawskiej przyczynił się do modernizacji systemu sterowania eksperymentem, wprowadzając otwarte oprogramowanie Sinara/ARTIQ i rozwiązanie oparte na otwartym sprzęcie zamiast elektroniki robionej na zamówienie – mówi dr hab. Georgy Kornakov, prof. PW z Wydziału Fizyki, lider zespołu naukowców z PW działających w konsorcjum naukowym AEgIS. – Układ sterowania służy do obsługi poszczególnych elementów aparatury i planowania sekwencji doświadczeń. Nasza grupa miała też udział w stworzeniu wizualizacji online i opracowania platformy przetwarzania danych.

Zespół AEgIS PW tworzą specjaliści z Wydziału Fizyki, Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Wydziału Elektrycznego oraz siedmioro studentów. Pracami grupy kieruje prof. Kornakov, który obecnie jest także koordynatorem programu atomów antyprotonowych w eksperymencie AEgIS.

Z artykułem „Positronium laser cooling via the 13S-23P transition with a broadband laser pulse” można się zapoznać na stronie „Physical Review Letters”.