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(AGENPARL) – gio 22 febbraio 2024 MEDIA INFORMATION / INFORMATION PRESSE
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The set-up used by the AEgIS team to laser-cool positronium. / Le dispositif utilisé par l’équipe AEgIS pour refroidir les positoniums par laser. (Image: CERN)
AEgIS experiment paves the way for new set of antimatter studies by laser-cooling positronium
In cooling positronium with laser light for the first time, AEgIS may also have taken the first step towards a matter–antimatter system that emits laser-like gamma-ray light
To create antihydrogen (a positron orbiting an antiproton), AEgIS directs a beam of positronium (an electron orbiting a positron) into a cloud of antiprotons produced and slowed down in the Antimatter Factory. When an antiproton and a positronium meet in the antiproton cloud, the positronium gives up its positron to the antiproton, forming antihydrogen.
Producing antihydrogen in this way means that AEgIS can also study positronium, an antimatter system in its own right that is being investigated by experiments worldwide.
Positronium has a very short lifetime, annihilating into gamma rays in 142 billionths of a second. However, because it comprises just two point-like particles, the electron and its antimatter counterpart, “it’s a perfect system to do experiments with”, says AEgIS spokesperson Ruggero Caravita, “provided that, among other experimental challenges, a sample of positronium can be cooled enough to measure it with high precision”.
This is the feat accomplished by the AEgIS team. By applying the technique of laser cooling to a sample of positronium, the collaboration has already managed to more than halve the temperature of the sample, from 380 to 170 degrees kelvin. In follow-up experiments the team aims to break the barrier of 10 degrees kelvin.
AEgIS’ laser cooling of positronium opens up new possibilities for antimatter research. These include high-precision measurements of the properties and gravitational behaviour of this exotic but simple matter–antimatter system, which could reveal new physics. It also allows the production of a positronium Bose–Einstein condensate, in which all constituents occupy the same quantum state. Such a condensate has been proposed as a candidate to produce coherent gamma-ray light via the matter-antimatter annihilation of its constituents – laser-like light made up of monochromatic waves that have a constant phase difference between them.
“A Bose-Einstein condensate of antimatter would be an incredible tool for both fundamental and applied research, especially if it allowed the production of coherent gamma-ray light with which researchers could peer into the atomic nucleus.” says Caravita.
“A broadband laser cools not just a small but a large fraction of the positronium sample,” explains Caravita. “What’s more, we carried out the experiment without applying any external electric or magnetic field, simplifying the experimental set-up and extending the positronium lifetime.”
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CERN, the European Organization for Nuclear Research, is one of the world’s leading laboratories for particle physics. The Organization is located on the French-Swiss border, with its headquarters in Geneva. Its Member States are: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Serbia, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. Cyprus, Estonia and Slovenia are Associate Member States in the pre-stage to Membership. Croatia, India, Latvia, Lithuania, Pakistan, Türkiye and Ukraine are Associate Member States. Japan and the United States of America currently have Observer status, as do the European Union and UNESCO. The Observer status of the Russian Federation and of JINR is suspended in accordance with the CERN Council Resolutions of 8 March 2022 and 25 March 2022, respectively.
About AEgIS:
The AEgIS collaboration is composed of several research groups from CERN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (units of Milano, Pavia and the Trento Institute for Fundamental Physics and Applications), the University of Oslo, the Universite Paris-Saclay and the Centre National de la Recherche Scientifique, the University of Liverpool, the Warsaw University of Technology, the University of Trento, the Jagiellonian University of Krakow, the Raman Research Institute of Bangalore, the University of Innsbruck, the University and the Politecnico of Milan, the University of Brescia, the Nicolaus Copernicus University in Torun, the University of Latvia, the Institute of Physics of the Polish Academy of Sciences and the Czech Technical University of Prague.
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L’expérience AEgIS ouvre la voie à une nouvelle série d’études sur l’antimatière en refroidissant du positonium par laser
En refroidissant pour la première fois du positonium par laser, AegIS pourrait également avoir fait un premier pas vers un système constitué de matière et d’antimatière émettant de la lumière gamma de type laser
Pour créer des atomes d’antihydrogène (constitués d’un positon en orbite autour d’un antiproton), AEgIS dirige un faisceau de positonium (le positonium étant constitué d’un électron en orbite autour d’un positon), vers un nuage d’antiprotons, produits et ralentis dans l’usine d’antimatière. Lorsqu’un antiproton et un positonium se rencontrent dans le nuage, le positonium cède son positon à l’antiproton, formant ainsi un atome d’antihydrogène.
En produisant de l’antihydrogène de cette manière, AEgIS peut également étudier le positonium, un atome à part entière composé d’antimatière, qui fait l’objet d’expériences dans le monde entier.
Le positonium a une durée de vie très courte ; il s’annihile en rayons gamma en à peine 142 milliardièmes de seconde. Cependant, étant donné qu’il ne comprend que deux particules ponctuelles, l’électron et son équivalent en antimatière, « c’est le système idéal pour mener des expériences, explique Ruggero Caravita, porte-parole d’AEgIS, à condition de pouvoir, entre autres difficultés au plan expérimental, refroidir suffisamment un échantillon pour le mesurer avec une grande précision ».
C’est ce que l’équipe AEgIS a réussi à faire. En appliquant à un échantillon de positonium la technique du refroidissement par laser, la collaboration a déjà réussi à réduire de plus de la moitié la température de l’échantillon, la faisant passer de 380 à 170 degrés kelvin. L’équipe vise à descendre en dessous des 10 degrés kelvin lors d’expériences ultérieures.
Le refroidissement par laser du positonium ouvre de nouvelles perspectives pour les recherches sur l’antimatière. Il sera possible notamment de mesurer très précisément les propriétés et le comportement gravitationnel de ce système matière-antimatière exotique, mais simple, ce qui pourrait révéler une nouvelle physique. Il sera également possible de produire un condensat de Bose-Einstein constitué de positonium, dans lequel tous les éléments constitutifs occupent le même état quantique. Un tel condensat pourrait être candidat à la production, par l’annihilation matière-antimatière de ses éléments, de lumière gamma cohérente, une lumière semblable à celle d’un laser, composée d’ondes monochromatiques présentant une différence de phase constante entre elles.
« Un condensat de Bose-Einstein constitué d’antimatière serait un outil formidable, aussi bien pour la recherche fondamentale que pour la recherche appliquée, en particulier si cela permet de produire de la lumière gamma cohérente, avec laquelle les chercheurs pourraient mieux scruter le noyau atomique », indique Ruggero Caravita.
« L’avantage du laser à large bande est qu’il refroidit une plus grande fraction de l’échantillon de positonium, explique Ruggero Caravita. De plus, nous avons réalisé l’expérience sans appliquer de champ électrique ou magnétique externe, ce qui simplifie le dispositif expérimental et prolonge la durée de vie du positonium ».
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A propos du CERN
Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Serbie, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre, l’Estonie et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Croatie, l’Inde, la Lettonie, la Lituanie, le Pakistan, la Türkiye et l’Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique et le Japon ont actuellement le statut d’observateur, ainsi que l’UNESCO et l’Union européenne. Le statut d’observateur de la Fédération de Russie et du JINR est suspendu conformément aux Résolutions du Conseil du CERN prises respectivement le 8 mars 2022 et le 25 mars 2022.
A propos d’AEgIS:
La collaboration AEgIS est composée de plusieurs groupes de recherche du CERN, de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (unités de Milan, Pavie et Istituto Trentino per la fisica fondamentale e le sue applicazioni), de l’Université d’Oslo, de l’Université de Paris-Sarclay et du Centre National de la Recherche Scientifique, de l’Université de Liverpool, de l’Université de technologie de Varsovie, de l’Université de Trente, de l’Université Jagellon de Cracovie, de l’Institut de recherche Raman à Bangalore, de l’Université d’Innsbruck, de l’Université et école Polytechnique de Milan, de l’Université de Brescia, de l’Université Nicolas-Copernic à Torún, de l’Université de Lettonie, de l’Institut de Physique de l’Académie polonaise des sciences, et de l’Université technique de Prague
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