레이저광을 사용하여 물체의 온도를 낮추는 기술로 반입자로 만들어진 exiotic atom인 포지트로늄을 냉각하는 데 성공했다는 연구결과를 도쿄대학과 유럽 원자핵 연구기구(CERN)의 연구팀이 잇따라 발표했습니다. 반물질계의 속도를 떨어뜨려 보다 상세하게 연구할 수 있게 되는 이 성과는 우주의 시작에 관한 장대한 탐구부터 마이크로의 세계를 밝히는 양자역학에 이르기까지, 폭넓은 분야의 연구에 도움이 될 가능성이 있다고 합니다.
Phys. Rev. Lett. 132, 083402 (2024) - Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.083402
Positronium Laser Cooling via the ${1}^{3}S\text{\ensuremath{-}}{2}^{3}P$ Transition with a Broadband Laser Pulse
Researchers have managed to cool an atom-like system made of an electron and a positron using a technique commonly used in cold-atom experiments.
journals.aps.org
AEgIS experiment paves the way for new set of antimatter studies by laser-cooling positronium | CERN
https://home.cern/news/news/experiments/aegis-experiment-paves-way-new-set-antimatter-studies-laser-cooling
AEgIS experiment paves the way for new set of antimatter studies by laser-cooling positronium
AEgIS is one of several experiments at CERN’s Antimatter Factory producing and studying antihydrogen atoms with the goal of testing with high precision whether antimatter and matter fall to Earth in the same way. In a paper published today in Physical Re
home.cern
Breakthrough: Positronium Cooled By Laser in a World First : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/breakthrough-physicists-cooled-antimatter-to-near-absolute-zero-for-the-first-time
Breakthrough: Positronium Cooled By Laser in a World First
Teams of physicists at CERN and the University of Tokyo have both taken a major step forward towards understanding a flighty, short-lived particle.
www.sciencealert.com
포지트로늄은 음전하를 가진 전자와 그 반대인 양전자로 만들어진 원자입니다. 또한 포지트로늄과 반양성자가 부딪히면 포지트로늄의 양전자와 반양성자가 결합되어 반수소가 생성됩니다.
그 때문에 포지트로늄은 반물질의 성질을 조사하는 실험에 최적인데 매우 불안정하기 때문에 불과 1420억 분의 1초로 소멸해 감마선이 되어 버립니다. 게다가 입자구름 속에서 생성된 포지트로늄은 다양한 속도로 날아가므로 위치를 확인하는 것도 어렵습니다.
이 문제의 해결책 중 하나는 레이저로 입자의 운동량을 줄이고 온도를 낮추는 레이저 냉각기술입니다. 입자에 레이저를 가하면 광자가 흡수되어 에너지가 더해지지만 방출되어 에너지가 감소합니다. 이것을 반복하는 과정에서 통상 도달 불가능한 속도까지 입자를 감속시키는 기술을 통해 대상의 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있게 됩니다.
이번 CERN에서 실시되고 있는 AEgIS 실험의 연구팀은 폭넓은 속도분포를 타겟으로 하는 광대역 레이저 냉각을 사용해 포지트로늄의 온도를 380켈빈(약 106도)에서 170켈빈(마이너스 약 103도)까지 낮추는 데 성공했습니다. 연구팀은 향후 10켈빈의 벽을 돌파하는 것을 목표로 할 예정입니다.
또한 도쿄대학의 슈켄지 씨의 연구팀은 입자의 속도에 맞추어 레이저의 주파수를 조정하는 '챠프 냉각'이라고 불리는 레이저 냉각기술을 사용해 포지트로늄의 온도를 절대영도에 근접한 약 1켈빈(마이너스 약 272도)까지 낮추어 전자와 양전자의 전체적인 속도와 분포를 대폭 축소시켰습니다.
두 팀의 연구는 독립적이지만 이번 포지트로늄의 레이저 냉각에 관한 성과를 공유했으며 AEgIS의 팀은 미국 물리학회가 간행하는 사독 과학지 Physical Review Letters에, 도쿄대학의 연구팀은 프리프린트 서버 arXiv에 같은 날 논문을 게시했습니다.
반물질에는 많은 가능성이 숨겨져 있지만 그 중에는 우주의 성립에 관한 수수께끼도 있습니다. 빅뱅과 함께 우주가 형성되었을 때 우주에는 통상의 물질과 반물질이 같은 양이 만들어졌지만 현재의 우주는 대부분이 물질로 이루어져 있습니다. 이번에 확립된 냉각기술로 반물질의 거동을 상세하게 알 수 있다면 사라진 반물질의 행방을 추구하는데 큰 단서가 될지도 모릅니다.
과학자들은 또한 포지트로늄 보스 아인슈타인 응축체(BEC)를 만들려고 시도하고 있습니다. 보스 아인슈타인 응축이란 입자구름의 온도를 절대영도 가까지 식히면 하나의 거대한 소입자와 같이 거동하는 현상입니다. 포지트로늄의 BEC는 물질과 반물질의 소멸을 통해 coherence한 감마선을 방출하는데 이것은 원자의 기본적인 구조를 규명하는데 매우 강력한 도구가 됩니다.
CERN의 AEgIS 홍보담당자인 루젤로 카라비타 씨는 “반물질의 BEC로 연구자가 원자핵을 들여다볼 수 있는 coherence한 감마선광을 생성할 수 있게 되면 기초연구와 응용연구 모두에서 훌륭한 도구가 될 것"이라고 기대를 나타냈습니다.
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