El CERN utiliza el enfriamiento por laser de positronio. Crédito de la imagen: CERN
Científicos explican una hazaña experimental abrirá la puerta a un conjunto completamente nuevo de estudios sobre antimateria, incluida la posibilidad de fabricar un láser de rayos gamma. Esto permitiría a los investigadores explorar el núcleo atómico y tener usos fuera de la física.
En la Fábrica de Antimateria del CERN, AEgIS produce y estudia átomos de antihidrógeno con el objetivo de determinar con precisión si la antimateria y la materia caen de la misma manera a la Tierra.
En un artículo publicado hoy en Physical Review Letters, la colaboración AEgIS explica una hazaña experimental que no solo le ayudará a lograr este objetivo, sino que también abrirá la puerta a un conjunto completamente nuevo de estudios sobre antimateria, incluida la posibilidad de fabricar un láser de rayos gamma. Esto permitiría a los investigadores explorar el núcleo atómico y tener usos fuera de la física.
Para crear antihidrógeno (un positrón que orbita alrededor de un antiprotón), AEgIS dirige un haz de positronio (un electrón que orbita alrededor de un positrón) hacia una nube de antiprotones producidos y ralentizados en la Fábrica de Antimateria. Cuando un antiprotón y un positronio se encuentran en la nube de antiprotón, el positronio cede su posición al antiprotón, formando un antihidrógeno.
AEgIS también puede estudiar el positronio, un sistema de antimateria en sí mismo que se está investigando mediante experimentos en todo el mundo, al producir antihidrógeno de esta manera.
Los rayos gamma aniquilan el positronio en 142 milmillonésimas de segundo, reduciendo su vida útil. No obstante, debido a que solo se compone de dos partículas específicas, el electrón y su contraparte de antimateria, el sistema es ideal para realizar experimentos, siempre y cuando se pueda obtener una muestra de positronio y se pueda enfriar lo suficiente para medirlo con precisión, según Ruggero Caravita, portavoz de AEgIS.
A través de la aplicación de la técnica de enfriamiento por láser a una muestra de positronio, la colaboración ha logrado reducir la temperatura de la muestra a más de la mitad, que oscila entre 380° y 170° K. El grupo tiene como objetivo superar la barrera de los 10 grados Kelvin en experimentos futuros.
El enfriamiento de positronio por láser de AEgIS abre nuevas perspectivas en la investigación de antimateria. Incluyen mediciones de alta precisión de las propiedades y el comportamiento gravitacional de este exótico pero simple sistema materia-antimateria, lo que podría revelar nueva física. Además, permite la creación de un condensado de positronio de Bose-Einstein en el que todos los componentes tienen el mismo estado cuántico.
Se ha sugerido un condensado de este tipo como opción para generar una luz coherente de rayos gamma mediante la eliminación de los componentes materia-antimateria. Esta luz es comparable a la de un láser que se compone de ondas monocromáticas con una diferencia de fase constante entre ellas.
Caravita afirma que un condensado de antimateria de Bose-Einstein sería una herramienta fantástica tanto para la investigación básica como para la aplicada, especialmente si permitiera la producción de luz coherente de rayos gamma con la que los investigadores pudieran observar el interior del núcleo atómico.
El enfriamiento por láser, que se utilizó por primera vez hace aproximadamente tres años, funciona desacelerando gradualmente los átomos con fotones láser a lo largo de varios ciclos de absorción y emisión de fotones. En la mayoría de los casos, se utiliza un láser de banda estrecha, que emite luz con un rango de frecuencia limitado, para lograr esto. Sin embargo, en su estudio, el equipo de AEgIS utiliza un láser de banda ancha.
Caravita explica que un láser de banda ancha enfría no solo una pequeña parte sino también una gran parte de la muestra de positronio. Además, llevamos a cabo el experimento sin utilizar campos eléctricos o magnéticos externos, lo que simplifica la configuración experimental y aumenta la vida útil del positronio.
El enfriamiento por láser, que se utilizó por primera vez hace aproximadamente tres años, funciona desacelerando gradualmente los átomos con fotones láser a lo largo de varios ciclos de absorción y emisión de fotones. En la mayoría de los casos, se utiliza un láser de banda estrecha, que emite luz con un rango de frecuencia limitado, para lograr esto. Sin embargo, en su estudio, el equipo de AEgIS utiliza un láser de banda ancha.
REFERENCIAS
Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse, Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.083402
Laser cooling of positronium, arXiv (2023): https://journals.aps.org/prl/
