科学家首次成功对正电子离子进行激光冷却

在最近的一项研究中，欧洲核子研究中心（CERN）下的AEgIS系统成功地对正电子离子进行激光冷却，向发射类似激光的伽马射线的物质-反物质系统方面迈出了重要的一步。

这一实验成果不仅为高精度测试反物质和物质是否以相同方式落到地球上提供了有力支持，还为一系列全新的反物质研究铺平了道路，其中包括生产伽马射线激光器的可能性。

宙斯盾系统（AEgIS）是欧洲核子研究中心反物质工厂生产和研究反氢原子的几个实验之一，其目标是高精度地测试反物质和物质两者是否以相同的方式落到地球上。

在日前发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇论文中，AEgIS合作项目报告了一项实验壮举，该壮举不仅有助于实现这一目标，而且还为一系列全新的反物质研究铺平了道路，包括生产伽马射线激光器的前景，这将使研究人员能够看到原子核内部，并具有物理以外的应用。

AEgIS作为欧洲核子研究中心反物质工厂的几个实验之一，其目标是研究反氢原子的性质。为了制造反氢（一个正电子绕着一个反质子旋转），AEgIS将一束正电子（一个电子绕着一个正电子旋转）引导到反物质工厂产生并减速的反质子云中。当一个反质子和一个正电子在反质子云中相遇时，正电子把它的正电子让给反质子，从而形成了反氢。

这一过程使得AEgIS能够研究正电子这一反物质系统，该系统因其只包含两个点状粒子——电子和它的反物质而备受关注。

然而，正电子的寿命极短，仅为1420亿分之一秒，随后会湮灭成伽马射线。为了研究这一短暂存在的粒子，AEgIS团队成功地将激光冷却技术应用于正电子样品。

这是AEgIS团队完成的壮举。通过将激光冷却技术应用于正电子样品，他们成功地将样品的温度从380摄氏度降低到170摄氏度，降低了超过一半。这一壮举为后续实验打下了坚实基础，团队的目标是将温度进一步降低到10开尔文以下。

激光冷却正电子的成功为反物质研究带来了新的可能性。首先，它使得对物质-反物质系统的高精度测量成为可能，有助于揭示新的物理学原理。其次，这一技术还使得研究人员能够产生正电子玻色-爱因斯坦凝聚体，这是一种所有成分占据相同量子态的冷凝物。这种冷凝物被认为是产生相干伽马射线光的候选者，有望为研究人员提供窥视原子核内部的机会。

"如果反物质的玻色-爱因斯坦凝聚体能够产生相干伽马射线光，它将成为基础研究和应用研究领域中一个无比强大的工具，使研究人员能够洞察原子核的奥秘。"Ruggero Caravita表示。

回顾三年前，激光冷却技术首次在反物质原子上得到应用。其核心原理在于通过光子吸收和发射的循环过程，逐步减缓原子的速度，而这一过程主要通过窄带激光器实现，其发射的光频率范围较小。然而，AEgIS团队在其研究中采用了独特的宽带激光技术。

Ruggero Caravita进一步解释道：“宽带激光技术的优势在于，它不仅能有效冷却一小部分正电子样品，还能对更大规模的正电子样品实现冷却。此外，我们在实验过程中并未使用任何外部电场或磁场，这不仅简化了实验装置，同时也延长了正电子的寿命。”

AEgIS合作项目已将其正电子激光冷却的研究成果与采用不同技术的独立团队进行了分享，并在同一天将这一重要成果发布在arXiv预印本服务器上，以供全球科研人员参考与借鉴。

来源：OFweek激光网