Laser-Kühlung von Positronium
Forscher haben es geschafft, ein atomähnliches System aus einem Elektron und einem Positron mithilfe einer in der Kältetechnik üblichen Technik abzukühlen.
Ziel der AEgIS-Kollaboration
Die AEgIS-Kollaboration am CERN in der Schweiz hat es sich zum Ziel gesetzt, den Einfluss des Erdgravitationsfeldes auf Antimaterie zu messen, insbesondere auf Antihydrogen-Atome. Die Produktion von Antihydrogen hängt von Positronium ab, das aus einem Elektron und einem Positron, die aneinander gebunden sind, besteht. Je schneller Positronium gekühlt werden kann, desto höher ist die Produktion von Antihydrogen. Aus diesem Grund haben die AEgIS-Forscher in den letzten vier Jahren daran gearbeitet, eine Methode zur Kühlung von Positronium zu entwickeln. Mit ihrer erfolgreichen Demonstration der Positronium-Laserkühlung haben sie ihr Ziel erreicht.
Die Laserkühlung von Positronium ist deutlich herausfordernder als die Laserkühlung regulärer Atome. Positronium kann nur 140 Nanosekunden lang überleben, bevor es sich annihiliert, selbst in Ultrahochvakuum. Darüber hinaus liegt die relevante Übergangsfrequenz für die Positronium-Kühlung im Bereich des tiefen Ultraviolett, in dem die Lasertechnologie noch nicht besonders entwickelt ist.
Entwicklung eines maßgeschneiderten Laser-Systems
Die AEgIS-Kollaboration hat ein maßgeschneidertes Laser-System entwickelt, das Alexandrit als Lasermaterial verwendet. Alexandrit-basierte Laser emittieren tiefe Ultraviolett-Wellenlängen, aber handelsübliche Geräte erfüllen nicht die Intensitäts- und Pulsdauer-Anforderungen für die Positronium-Kühlung. Ein weiteres großes Hindernis, mit dem die Forscher konfrontiert waren, bestand darin, den Verlust von Positronium-Atomen während des Kühlungsprozesses zu vermeiden. Hierfür war es notwendig, externe elektrische und magnetische Felder, die zur Manipulation von Positronium verwendet wurden, innerhalb von Nanosekunden abschalten zu können.
Die Forscher mussten mehrere Herausforderungen bei der Entwicklung dieses maßgeschneiderten Laser-Systems überwinden. Sie mussten Alexandrit als Lasermaterial verwenden, um tiefe Ultraviolett-Wellenlängen zu emittieren, die für die Positronium-Kühlung erforderlich sind. Die handelsüblichen Geräte erfüllten jedoch nicht die Intensitäts- und Pulsdauer-Anforderungen für diesen Kühlungsprozess. Darüber hinaus mussten die Forscher einen Weg finden, externe elektrische und magnetische Felder zu eliminieren, die zum Verlust von Positronium-Atomen während des Kühlungsprozesses führen könnten. Hierfür musste die elektrostatische Ausrüstung, die zur Manipulation von Positronium verwendet wurde, schnell abschaltbar sein.
Gleichzeitige Bekanntgabe der Ergebnisse
Die AEgIS-Forscher waren überrascht, festzustellen, dass ihr Erfolg zufällig mit einem anderen Team von der Universität Tokyo geteilt wurde. Diese beiden unabhängigen Gruppen gaben ihre Ergebnisse gleichzeitig in derselben Sitzung derselben Konferenz bekannt. Das Team von der Universität Tokyo verwendete ein völlig anderes Laser-System für ihre Forschung. Dieses gleichzeitige Ergebnis war ein bemerkenswertes Beispiel dafür, wie sich unabhängige und konkurrierende Forschungsarbeiten zur gleichen Zeit treffen.
Der Erfolg der AEgIS-Kollaboration bei der Laser-Kühlung von Positronium war das Ergebnis jahrelanger Planung und Experimente. Trotz der Herausforderungen, mit denen sie konfrontiert waren, fiel ihr Durchbruch mit den Errungenschaften einer anderen Forschungsgruppe zusammen. Dieses Zusammentreffen unabhängiger Forschung zeigt die Spannung und den Wettbewerb innerhalb des Fachgebiets auf.
