Позитроны охладили смешиванием с ионами бериллия

Физики симпатически охладили позитронную плазму с помощью лазерно-охлажденных ионов бериллия. Им удалось довести температуру позитронов до температуры 6,6 кельвин, что почти в три раза меньше предыдущего рекорда. Такие низкие температуры помогут эффективнее создавать антиводород и точнее измерять его свойства. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Открытые в 30-х годах прошлого столетия позитроны сразу же начали играть важную роль в физике. В первую очередь их открытие стало подтверждением релятивистской квантовой механики, в рамках которой их существование предсказал Дирак. Позитроны могут связываться с электронами с образованием позитрония — чисто лептонного связанного состояния, которое используется для проверки фундаментальных симметрий. Позитроны также полезны для медицинской физики: с их помощью изучают биологические процессы in vivo.

Другим важным применением позитронов стало создание чистой антиматерии и сравнение ее свойств с обычной материей. Так, измерение спектра антиводорода не нашло его принципиальной разницы со спектрами обычного водорода с точностью до 12 знака после запятой. Для создания антиводорода физики смешивают охлажденные позитроны с охлажденными антипротонами в ловушке Пеннинга — Малмберга. Температура образующегося антиводорода напрямую связана с температурой позитронов, которую на сегодня удалось понизить до 20 кельвин. При этом скорость образования антиматерии и точностью экспериментов с ней будет тем выше, чем ниже эта температура, поэтому физики пытаются охладить позитроны еще сильнее.

Нильс Мадсен (Niels Madsen) из Университета Суонси с коллегами из восьми стран симпатически охладили позитронную плазму с помощью лазерно-охлажденных ионов бериллия. Преимуществом симпатического охлаждения (то есть, охлаждения смешиванием) перед другими методами заключается в том, что для этого не нужно как-то существенно модифицировать уже сконструированную антиводородную ловушку, а также в отсутствии потерь позитронов.

Расчеты показали, что, чтобы внедрение ионов не мешало процессу образования антиводорода, отношение количества позитронов к количеству частиц Be⁺ не должно быть меньше десяти, а магнитное поле ловушки не должно превышать одной тесла. По этой причине физики смешивали 3,8 × 10⁵ ионов бериллия с 2,6 × 10⁶ позитронами, запертых в ловушке в виде плазменного облака радиусом 0,54 миллиметра. Такое количество позитронов используется в типичных экспериментах по синтезу антиводорода.

После смешивания физики производили лазерное охлаждение ионов лучом света с длиной волны 313 нанометров. Лазерное охлаждение заключается в резонансном поглощении фотонов лазера только теми ионами, что летят навстречу лучу. При этом фотон будет эффективно поглощаться только тогда, когда лазер будет отстроен ниже по частоте, в зависимости от скорости частиц. В текущем эксперименте авторы отстраивали лазер на 104 ширины резонанса, а затем в течение 40 секунд уменьшали эту величину до нескольких ширин. После охлаждения позитронов ионами физики извлекали смесь в микроканальный детектор для ее визуализации и измерения ее температуры и полного заряда. Меняя режимы лазерного охлаждения, исследователи выяснили, что при финальной отстройке лазера, лежащей в диапазоне от 2 до 7 ширин, температура позитронов имеет минимум, равный 6,6 кельвин, что почти в три раза меньше, чем предыдущий рекорд.

Для понимания ограничений использованного метода физики провели дополнительную серию экспериментов и симуляций с помощью развитой ранее численной модели N2DEC. В частности, они выяснили, что на симпатическом охлаждении негативно сказывается эффект сепарации плазм. В частности, частицы бериллия как более тяжелые выталкиваются к периферии ловушки, в то время как позитроны стремятся занять центр. Из-за этого эффекта уменьшение числа ионов существенно увеличивает финальную температуру позитронов. Также имеет место расширение бериллиевой плазмы с последующим паразитным нагревом из-за неоднородностей полей ловушки.

В будущем авторы надеются встроить реализованное ими симпатическое охлаждение непосредственно в сам эксперимент по синтезу антиводорода. Они ожидают, что при незначительном росте числа создаваемых атомов антиматерии в пять раз вырастет скорость их захвата. Это откроет дорогу к более быстрым и точным экспериментам с антиводородом.

Ранее эта же коллаборация уже охлаждала антиводород допплеровским методом. Мы также рассказывали, как другая группа физиков использовала ионы бериллия для дистанционного симпатического охлаждения одиночного протона.

Марат Хамадеев