Positrônio resfriado para registrar baixa temperatura

O positrônio – um simples “átomo” que consiste em um elétron e um antielétron – tem um grande potencial para a descoberta da física, mas para desvendar seus segredos será necessário resfriá-lo até próximo do zero absoluto. Num passo em direção a esse objetivo, os pesquisadores usaram um laser “chiado” para desacelerar os átomos de positrônio em uma direção, atingindo uma temperatura efetiva de 1 Okay, um recorde frio para o gás positrônio (1). Se o método puder ser estendido a três dimensões, o positrônio ultrafrio resultante poderá ser usado para gerar raios gama para fins médicos ou para realizar experimentos que possam responder a questões fundamentais sobre a origem do domínio da matéria sobre a antimatéria em nosso Universo.

Um átomo de matéria-antimatéria pode parecer uma escolha desnecessariamente complicada para estudar problemas fundamentais da física. Mas os átomos normais, como o hidrogénio, são relativamente confusos, com os seus electrões a zumbir em torno de um núcleo cheio de quarks e gluões. O positrônio é um sistema mais limpo composto por apenas duas partículas cujas interações podem ser previstas com precisão pela teoria quântica da força eletromagnética, chamada eletrodinâmica quântica (QED). Os teóricos podem usar QED para prever o comportamento do positrônio com um nível minucioso de precisão de 10⁻¹⁰e qualquer desvio observado dessas previsões pode ser um sinal de uma nova física, como a existência de partículas de matéria escura. “Medições precisas do positrónio também podem permitir-nos encontrar uma pequena assimetria partícula-antipartícula, o que pode explicar porque é que a antimatéria desapareceu enquanto a matéria permaneceu no nosso Universo,” diz Kosuke Yoshioka, da Universidade de Tóquio.

Para fazer medições tão precisas, os pesquisadores primeiro precisam diminuir as temperaturas das amostras de gás positrônio para que os efeitos térmicos não atrapalhem significativamente as medições. Mas resfriar o positrônio não é uma tarefa fácil, já que esta mistura matéria-antimatéria “não dura muito neste mundo”. O elétron e o antielétron do positrônio se aniquilarão em cerca de 142 ns após a formação do positrônio. Uma vida útil tão curta não permite um método de resfriamento lento, como colocar positrônio próximo a algo frio e esperar que o calor seja transferido.

Uma opção mais rápida seria o resfriamento a laser, no qual um gás de átomos é iluminado com luz laser. A frequência do laser é escolhida para corresponder a uma frequência de absorção dos átomos (tecnicamente, o laser é “desafinado para o vermelho” para ter uma frequência ligeiramente menor que a dos átomos). Quando um átomo absorve a luz laser, ele recebe um empurrão para trás que o desacelera ao longo da direção do feixe laser. O problema do positrônio é que ele pesa 1.000 vezes menos que os átomos normais. A massa menor significa que cada impulso do laser causa uma grande mudança na velocidade e uma mudança correspondentemente grande na frequência de absorção. Esta mudança de frequência relacionada à velocidade – ou desvio Doppler – torna difícil atingir o positrônio com um laser de frequência única. Uma solução é usar um laser de amplo espectro, como a colaboração AEgIS (Experimento Anti-hidrogênio: Gravidade, Interferometria, Espectroscopia) do CERN demonstrou no início deste ano ao resfriar o positrônio a 170 Okay (ver Sinopse: Positrônio de resfriamento a laser).

Yoshioka e seus colegas buscam uma estratégia diferente que depende de um laser chilreado, cuja frequência muda com o tempo. O método exclusivo de chilrear da equipe controla a frequência de um laser pulsado acoplando-o a um segundo feixe de laser (2). Os pesquisadores mostraram anteriormente que essa configuração “bloqueada por injeção” – combinada com um elemento de ajuste de frequência chamado modulador eletro-óptico – produz um trem de pulsos de laser com separação de tempo e mudança de frequência entre pulsos sucessivos de 4,2 ns e 2 GHz, respectivamente. “Este é um novo método de controle de frequência”, diz Yoshioka.

Os pesquisadores agora aplicaram seu laser a um gás positrônio. Este gás foi criado extraindo um pequeno grupo de antielétrons de um acelerador de partículas e injetando-os em um aerogel de sílica. Dentro do aerogel, alguns desses antielétrons encontram um elétron “disposto” e formam uma união de positrônio. A equipe estima que esse processo resulte em um gás com cerca de 1.000 átomos de positrônio, que posteriormente se difundem para fora do aerogel. Usando uma sonda a laser, os pesquisadores mediram a temperatura inicial do gás positrônio em uns agradáveis ​​610 Okay.

Para resfriar esse gás, Yoshioka e seus colegas usaram seu sistema de laser chilreado, configurando-o para atingir o 1S–2P transição em positrônio. No hidrogênio, essa transição corresponde à linha Lyman-alfa no comprimento de onda ultravioleta (121 nm). Devido à massa mais leve do positrônio, este 1S–2P a transição ocorre com uma energia ligeiramente inferior, correspondendo a 243 nm. Ajustando seus pulsos de acordo, os pesquisadores poderiam diminuir a velocidade do átomo de positrônio. “Projetamos o período de repetição dos pulsos para permitir muitos ciclos de resfriamento durante a vida útil do positrônio”, diz Yoshioka.

Ao reprovar o gás após os ciclos de resfriamento, descobriram que os átomos foram desacelerados ao longo da direção do feixe de laser, resultando em uma distribuição de velocidade que corresponde a uma temperatura de 1 Okay. O próximo passo será aplicar o resfriamento do laser em três dimensões. . Adicionar o equipamento laser necessário deve ser simples, diz Yoshioka, mas o problema é que o resfriamento 3D levará mais tempo – algo que o positrônio não tem. Seu grupo e outros estão procurando maneiras de acelerar as taxas de resfriamento com outras técnicas de laser.

Se um gás positrônio puder ser twister frio (< 10 K) e denso (> 10¹⁸ $$átomos por cm³), espera-se que seus átomos formem um estado quântico denominado condensado de Bose-Einstein (BEC). À medida que se auto-aniquila, um BEC de positrônio deve gerar um pulso coerente de raios gama, que poderia ser útil em imagens médicas e no tratamento do câncer (ver Sinopse: Condensados ​​de Bose-Einstein para lasers de raios gama). O estudo desta emissão de raios gama também pode revelar um comportamento inesperado na taxa de aniquilação de matéria com antimatéria, o que poderia fornecer pistas sobre a razão pela qual o Universo primitivo passou de ter quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria para ter maioritariamente matéria. Outros experimentos planejados irão medir os espectros de transições de positrônio, como o 1S–2S transição e procure discrepâncias com os cálculos QED que possam revelar novas partículas ou a quebra de simetrias fundamentais (3). “Estamos entusiasmados com a perspectiva de realizar tais experiências, que poderão ter implicações profundas para os fundamentos da física elementar num futuro próximo”, diz Yoshioka.

“O positrónio é uma excelente sonda para questões fundamentais”, afirma Benjamin Rienäcker, membro da Colaboração AEgIS da Universidade de Liverpool, no Reino Unido. Ele diz que o trabalho de Yoshioka e colegas ajuda a abordar os efeitos Doppler no positrônio, que têm sido grandes limitações ao resfriamento deste gás. “Com a demonstração bem-sucedida de um gás positrônio ultrafrio, estamos agora entrando em uma period fascinante e extremamente interessante de experimentos de positrônio de próxima geração”, diz Rienäcker.

–Michael Schirber

Michael Schirber é editor correspondente da Revista Física com sede em Lyon, França.

Artigos recentes

Mais artigos