Позитроны охладили смешиванием с ионами бериллия

C. J. Baker et al./ Nature Communications, 2021

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 экспериментом 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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.