Chmura egzotycznych atomów zbudowanych z materii i antymaterii została w sposób kontrolowany schłodzona o ponad 200 stopni. Międzynarodowy zespół naukowców z eksperymentu AEgIS pracujący w CERN pod Genewą dokonał pierwszej doświadczalnej demonstracji chłodzenia laserowego atomów pozytronium. Jest to kolejny krok na drodze do precyzyjnego kontrolowania stanów związanych materii i antymaterii.

Wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters i ze względu na ich wyjątkową wartość naukową zostały umieszczone przez edytorów w sekcji "Editors' Suggestion". Pozytronium to najlżejszy egzotyczny atom składający się z orbitujących wokół siebie elektronu i jego antymaterialnego odpowiednika pozytonu. Jego istnienie zostało przewidziane w latach 40. XX wieku niezależnie przez A. E. Ruarka [1] i J. A. Wheelera [2], a w roku 1951 po raz pierwszy doświadczalnie potwierdzone przez M. Deutscha [3]. Największym wyzwaniem doświadczalnym przy badaniu atomów pozytronium jest ich niezwykle krótki czas życia związany z bardzo dużym prawdopodobieństwem anihilacji orbitujących cząstek. W zależności od wzajemnego ustawienia spinów elektronu i pozytonu czas ten wynosi zaledwie 0,12 ns (ustawienie antyrównoległe) i niespełna 140 ns (ustawienie równoległe). Okazuje się jednak, że w tym drugim przypadku jest to czas wystarczający, aby ten niezwykły gaz atomowy w kontrolowany sposób schłodzić z wykorzystaniem odpowienio dobranych wiązek laserowych od temperatury ok. 380K do ok. 170K.

Chłodzenie laserowe gazu atomowego to znana od ponad 40 lat metoda zmniejszania średniej prędkości atomów tworzących gaz [4]. Jej działanie opiera się na zjawisku Dopplera. Atomowy gaz oświetlany jest promieniowaniem laserowym, którego częstość jest nieznacznie niższa niż częstość wybranego wzbudzenia spoczywającego atomu. To oznacza, że spoczywający atom nie może pochłonąć fotonu takiego promieniowania, gdyż jego częstość nie jest odpowiednio dobrana. Ponieważ jednak atomy tworzące gaz poruszają się chaotycznie w różnych kierunkach, to na skutek efektu Dopplera "widzą" one fotony o nieznacznie przesuniętej częstości względem częstości lasera. Atomy oddalające się od źródła "widzą" fotony o częstości mniejszej, a te zbliżające się o częstości nieznacznie wyższej. Te drugie zderzają się zatem z fotonami, których częstość jest lepiej dopasowana do energii wzbudzenia atomu i tym samym ich pochłonięcie jest znacznie bardziej prawdopodobne. Każde pochłonięcie fotonu lecącego w kierunku przeciwnym do ruch atomu wiąże się z wytrąceniem przez atom pędu i jego prędkość się zmniejsza. Oczywiście chwilę po pochłonięciu fotonu przez atom następuje jego spontaniczna emisja, ale ze względu na charakter tego procesu kierunek emisji jest całkowicie losowy. To zatem oznacza, że wielokrotnie powtarzane absorbowanie fotonów ze strumienia laserowego przez atomy zbliżające się do źródła i emitowanie ich w losowym kierunku musi prowadzić do zmniejszenia się średniej prędkości wszystkich atomów tworzących gaz i tym samym zmniejszenia jego temperatury. Taki właśnie schemat został wykorzystany w procesie chłodzenia gazu atomowego pozytronium w eksperymencie AEgIS.

AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) to jeden z kilku eksperymentów w kompleksie Antimatter Factory znajdującym się w laboratorium CERN pod Genewą, gdzie prowadone są precyzyjne badania nad układami złożonymi z materii i antymaterii. Jego zasadniczym celem jest przeprowadzenie precyzyjnej weryfikacji tzw. Słabej Zasady Równoważności dla obojętnych elektrycznie obiektów złożonych z antymaterii. Zasada ta została po raz pierwszy sformułowana przez Galileusza i głosi, że wszystkie ciała obdarzone masą, niezależnie od ich wewnętrznej struktury i kształtu, spadają z takim samym przyśpieszeniem w określonym polu grawitacyjnym. Była ona kluczowym elementem sformułowanego później przez Izaaka Newtona prawa powszechnego ciążenia, w którym masa grawitacyjna jest tożsama z masą bezwładną. Choć teoria grawitacji Newtona musiała zostać uogólniona przez Einsteina na przypadki ciał ekstremalnie masywnych to Słaba Zasada Równoważności pozostała w mocy, tzn. dla obiektów materialnych, na wszystkich możliwych skalach (od atomowych po astronomiczne), nie stwierdzono od niej żadnych odstępstw. Doświadczalne zweryfikowanie Zasady dla antymaterii będzie przeprowadzone poprzez porównanie swobodnego spadku atomów wodoru i antywodoru w polu grawitacyjnym Ziemi. W tym celu schłodzona chmura atomów pozytronium będzie precyzyjnie zderzana ze strumieniem antyprotonów. W wyniku zderzeń możliwe jest rozerwanie atomu pozytronium i poprzez przyłączenie pozytonu do antyprotonu wytworzenie atomu antywodoru. Swobodny spadek tak powstającego atomu antywodoru będzie śledzony z optyczną precyzją. Zaobserwowanie jakiegokolwiek odstępstwa od Słabej Zasady Równoważności dla antymaterialnych atomów mogłoby być pierwszym krokiem do zrozumienia, dlaczego we Wszechświecie materia dominuje nad antymaterią.

W eksperymencie AEgIS biorą udział naukowcy z kilkunastu ośrodków naukowych z całego świata. Wśród nich znajdują się polskie grupy doświadczalne z Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz grupa teoretyczna z Instytutu Fizyki PAN.

[1] Phys. Rev. 68, 278 (1945)
[2] Ann. N. Y. Acad. Sci. 48, 219 (1946)
[3] Phys. Rev. 82, 455 (1951)
[4] Phys. Rev. Lett. 40, 1639 (1978)