Positronium laserkoeling

Op Cern is positronium (Ps)-laserkoeling gedemonstreerd met een lasersysteem op basis van alexandriet, dat is ontwikkeld om aan de vereisten voor koeling te voldoen: hoge intensiteit, grote bandbreedte en lange pulsduur.

De equivalente temperatuur van de Ps-atomen die ontsnappen uit een poreus doelwit (bij kamertemperatuur) dat geraakt wordt door een positronenbundel, daalde van 380 K tot 170 K, wat overeenkomt met een afname van de transversale component van de rms-snelheid van Ps van 54 km/s tot 37 km/s.

Ps is een klein broertje van waterstof, waarbij een positron het proton vervangt. Daardoor is het ongeveer een factor 2000 lichter dan waterstof en zijn de energieniveaus een factor 2 lager. Het is onstabiel: in vacuüm en in de grondtoestand, met parallelle spins van de twee deeltjes, annihileert het met een levensduur van slechts 142 ns.

Tijdens deze korte levensduur moet er koeling plaatsvinden en dit maakt het proces zo uitdagend ten opzichte van gewone atomen. Het gebruik van een gepulste laser met grote bandbreedte heeft het voordeel dat een groot deel van de positroniumwolk wordt gekoeld terwijl de effectieve levensduur wordt verlengd, wat ook resulteert in een hoger aantal P’s na afkoeling voor verdere experimenten.

In dit experiment, dat bedoeld is om de zwaartekrachtversnelling van antihydrogeen te meten (als test van het zwakke equivalentieprincipe voor antimaterie), wordt dit laatste verkregen door middel van een reactie tussen Ps in aangeslagen toestand en opgesloten antiprotonen. Hoe lager de snelheid van de Ps, hoe groter de kans op vorming van antihydrogen, vandaar het belang om Ps te produceren met de laagst mogelijke kinetische energie.

De beschikbaarheid van voldoende ‘koude’ Ps-atomen is van belang voor precisiespectroscopie van aangeslagen Ps-energieniveaus, waardoor de kwantumelektrodynamica met een ongekende precisie kan worden getest of het equivalentieprincipe kan worden getest met een zuiver leptonisch systeem.

Bovendien zou de mogelijkheid om een ensemble van koude Ps-atomen op te zetten de weg kunnen banen naar het eerste antimaterie Bose-Einstein condensaat (BEC, al verkregen door gewone atomen met een laser af te koelen), een toestand waarin kwantummechanische verschijnselen zich macroscopisch manifesteren. Een positronium BEC zou gepaard gaan met gestimuleerde annihilatie, wat is voorgesteld als een manier om coherente elektromagnetische straling te produceren in het bereik van gammastralenergieën.

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters.