Forskere afkøler antistof med laserlys for første gang | Carlsbergfondet
Til oversigt

Forskere afkøler antistof med laserlys for første gang

ALPHA-holdet foran ALPHA-g maskinen, der fra august 2021 vil undersøge tyngdekraftens virkning på antistof ved hjælp af den nye laserkølingteknik.

Ny forskning med deltagelse af professor og Semper Ardens-forsker Jeffrey Hangst, der leder ALPHA-eksperimentet ved CERN, præsenterer banebrydende nye resultater i tidsskriftet Nature. Resultaterne åbner for betydeligt mere præcise undersøgelser af antistofs reaktion på lys, og hvordan det opfører sig under påvirkning af tyngdekraften.

ALPHA-samarbejdet på CERN har for første gang formået at afkøle antihydrogen-atomer - den enkleste form for atom-antistof - med laserlys. Teknikken, der også er kendt som laserkøling, blev først demonstreret for 40 år siden på normalt stof og er en grundpille inden for mange forskningsområder.

Holdet bag beskriver nu resultaterne fra laserkølingseksperimenterne i en videnskabelig artikel, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Nature. Studiet åbner for betydeligt mere præcise målinger af den indre struktur af antihydrogen. Desuden giver det nye mulighed for at observere, hvordan antihydrogen opfører sig under indflydelse af tyngdekraften.

Ved at sammenligne med målinger på det velstuderede brintatom har forskerne mulighed for at afsløre forskelle mellem stof og antistof-atomer. Forskellene kan, hvis de er til stede, kaste lys over, hvorfor universet kun består af stof og ikke også antistof. En ubalance, der er kendt som stof-antistof asymmetri-problemet.

Fra science fiction til virkelighed på et årti

”Vi er meget begejstrede over opdagelsen. For bare omkring et årti siden var laserafkøling af antistof noget, der hørte science fiction til,” siger ALPHA-samarbejdets talsmand, professor og Semper Ardens-forsker Jeffrey Hangst. Han fortsætter:

”Evnen til at afkøle antihydrogen-atomer med laser er en game-changer for spektroskopiske målinger og tyngdekraftsmålinger, og det kan føre nye perspektiver inden for antistof-forskning med sig, såsom dannelse af antistof-molekyler og udvikling af anti-atominterferometri.”

Carlsbergfondets bestyrelsesformand, professor Flemming Besenbacher, udtaler:

”Jeffrey Hangst og hans team imponerer igen ved at gennemføre et ekstremt kompliceret fysikeksperiment, men denne gang er kompleksiteten højere end nogensinde før. Ikke blot skal forskerholdet danne og fastholde antihydrogen i en magnetisk fælde. Atomerne skal også fastholdes i så lang tid, at atomerne kan køles med laserlys og derefter udsættes for spektroskopiske målinger. Ingen andre i verden kan udføre sådanne målinger, der muliggør en meget præcis sammenligning mellem de fysiske egenskaber af stof og antistof. Samtidig åbner eksperimenterne for nye målinger på blandt andet tyngdekraftens indvirken på antistof. Vi er i Carlsbergfondet stolte over at have støttet Jeffrey Hangsts arbejde over mange år og ser frem til at følge de nye tyngdekraftseksperimenter, som vi også støtter.”

Jeffrey S. Hangst og ALPHA-2 maskinen, der bruges til at fremstille, fange, afkøle og måle på antibrintatomer.

Antihydrogen-atomer fanges i en magnetisk fælde

ALPHA-teamet fremstiller antihydrogen-atomer ved at tage antiprotoner fra CERNs Antiproton Decelerator og binde dem med positroner, der stammer fra en natrium-22 kilde. Derefter indfanges de genererede antihydrogen-atomer i en magnetisk fælde, som forhindrer dem i at komme i kontakt med stof og dermed tilintetgøres.

Forskerne udfører derefter oftest spektroskopiske undersøgelser. Det vil sige, at de måler anti-atomernes respons på elektromagnetisk stråling i form af laserlys eller mikrobølger. Disse undersøgelser har gjort det muligt for teamet at måle for eksempel den elektroniske overgang 1S – 2S i antihydrogen med hidtil uset præcision.

Præcisionen af ​​sådanne spektroskopiske målinger og fremtidige målinger af opførsel af antihydrogen i jordens tyngdefelt i igangværende eksperimenter er imidlertid begrænset af den kinetiske energi, altså af ​​antiatomers temperatur.

Gentagelse på gentagelse fører til afkøling ved ultralav temperatur

Og det er her, laserafkøling kommer ind i billedet. I denne proces absorberes laserfotoner af atomerne og bringer dem til en højere energitilstand. Anti-atomerne udsender derefter fotonerne og henfalder spontant til deres oprindelige tilstand. Fordi interaktionen afhænger af atomernes hastighed, og fotonerne tilfører impuls, fører mange ganges gentagelse af denne absorptions-emissionscyklus til afkøling af atomerne til en lav temperatur.

I deres nye undersøgelse var ALPHA-forskerne i stand til at laserkøle en prøve af magnetisk fangede antihydrogen-atomer ved gentagne gange at køre anti-atomerne fra atomernes laveste energitilstand (1S-tilstand) til en højere-energitilstand (2P). Dette gjorde de ved hjælp af pulserende laserlys med en frekvens lidt under overgangsfrekvensen mellem de to tilstande. Efter at have belyst de indfangede ​​atomer i flere timer observerede forskerne et mere end ti gange fald i atomernes kinetiske energi, hvor mange af anti-atomerne nåede energier under en mikroelektronvolt (svarende til ca. 0,012 grader over det absolutte nulpunkt).

Efter at være lykkedes med at afkøle anti-atomerne undersøgte forskerne, hvordan laserkøling påvirkede en spektroskopisk måling af 1S – 2S-overgangen. Her fandt de, at afkøling resulterede i en smallere spektrallinje - ca. fire gange smallere end den, der blev observeret uden laserkøling.

“Vores demonstration af laserafkøling af antihydrogen-atomer og dens anvendelse på 1S – 2S spektroskopi repræsenterer kulminationen på mange års forskning i antistof og udvikling hos CERNs Anitproton Decelerator. Dette er langt det sværeste eksperiment, vi nogensinde har lavet,” siger Jeffrey Hangst.

Læs Jeffrey Hangst årskriftsartikel 2017 "At kaste lys over antistof - Alpha forsøget ved Cern"



Til oversigt