Positrônio resfriado por laser em uma inovação mundial: WebCuriosos

Equipes de físicos do CERN e da Universidade de Tóquio deram um grande passo em direção à compreensão de uma partícula volúvel e de vida curta.

Usando um laser projetado para atender às especificações do experimento, o Colaboração AEgIS conseguiu reduzir a temperatura de uma nuvem de positrônio em mais da metade. Esta coleção de partículas exóticas consiste apenas em um elétron e sua antipartícula, o pósitron.

Enquanto isso, uma equipe da Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia no Japão, liderada pelo físico Kenji Shu, da Universidade de Tóquio, reduziu a temperatura de uma nuvem de positrônio para cerca de Kelvin (-272 °C), reduzindo efetivamente a velocidade geral e a distribuição. significativamente as velocidades dos elétrons e dos pósitrons.

O positrônio é o sistema de partículas mais leve conhecido e é extremamente instável. Matéria e antimatéria aniquilam-se mutuamente e, com facilidade, também, cuspindo um flash de radiação. O positrônio se aniquila em 142 bilionésimos de segundo, desaparecendo em uma explosão de raios gama.

Além disso, quando produzido nas nuvens necessárias para estudos experimentais, o positrônio gira em torno de uma enorme variedade de velocidades, tornando-o realmente difícil de ser identificado.

Uma maneira de resolver isso seria resfriar o positrônio. Isso desaceleraria suas partículas para que medições mais precisas de suas propriedades pudessem ser feitas.

Mas, bem, é mais fácil falar do que fazer. Os gases podem ser desacelerados de várias maneiras, mas muitos métodos levam tempo, removendo as partículas mais energéticas, por exemplo, de modo que a distribuição das velocidades tende para os retardatários.

O resfriamento a laser é um método de redução de temperatura baseado na absorção e emissão de fótons por partículas. Quando uma partícula absorve um fóton, ela ganha energia; quando emite o fóton, perde energia.

Se a luz do laser for direcionada ao longo do caminho das partículas que chegam, essas partículas absorverão o fóton e o reemitirão em uma direção aleatória que altera seu momento e o retarda. Mas o comprimento de onda da luz laser deve ser ajustado ao nível de energia da partícula.

Os cientistas propuseram pela primeira vez o método de resfriamento a laser para positrônio décadas atrás, em 1988. Demorou até agora para alcançá-lo.

Usando diferentes técnicas de resfriamento a laser, as duas equipes independentes conseguiram reduzir a distribuição de velocidade de suas amostras e resfriá-las. Usando o resfriamento a laser de banda larga, que visa uma ampla distribuição de velocidade, a AEgIS conseguiu reduzir a temperatura de sua amostra de 380 Kelvin para 170 Kelvin (106 °C a -103 °C) – uma redução de mais da metade.

Enquanto isso, a equipe de Shu usou o resfriamento chirp – que depende do ajuste do laser para corresponder à desaceleração das partículas – para diminuir a distribuição dos movimentos das partículas dentro de sua própria amostra.

Existem muitas razões para querer estudar a antimatéria. Um dos grandes é descobrir para onde tudo foi.

Quando o Universo se formou, deveria haver quantidades iguais de matéria e antimatéria, e agora não há uma distribuição igual (o que é uma ótima notícia para nós, porque caso contrário o Universo provavelmente teria sido extinto). Saber se a antimatéria sempre se comporta da mesma maneira que a matéria ajudaria muito a fornecer algumas pistas sobre esse mistério.

Os físicos também querem criar um condensado de positrônio de Bose-Einstein. É quando uma nuvem de partículas é resfriada até um pouco acima do zero absoluto, resultando em uma nuvem de partículas de alta densidade que atua como uma superpartícula. Um condensado de positrônio Bose-Einstein, acreditam os físicos, poderia ser usado para gerar luz de raios gama coerente devido à auto-aniquilação do positrônio dentro dele.

Esta é uma ferramenta poderosa que pode ser usada para revelar a estrutura mais fina dos átomos que compõem o Universo.

“Um condensado de antimatéria de Bose-Einstein seria uma ferramenta incrível para pesquisa fundamental e aplicada”, explica o porta-voz da AEgIS, Ruggero Caravita do CERN, “especialmente se permitisse a produção de luz de raios gama coerente com a qual os pesquisadores pudessem observar o núcleo atômico”.

O trabalho da colaboração AEgIS foi publicado em Cartas de revisão física.

O trabalho de Shu et al. está disponível como pré-impressão em arXiv.