Positronium ist ein exotisches Atom, das aus einem Elektron und seinem Antiteilchen, einem Positron, besteht. Wissenschaftlern der AEgIS-Kollaboration am CERN ist es nun gelungen, die Temperatur einer Positroniumwolke von 380 K auf 170 K zu senken. Der Schlüssel zu diesem Erfolg war die Entwicklung eines breitbandigen Lasersystems bei 243 Nanometern Wellenlänge, das für den 1S-2P-Triplettübergang von Positronium geeignet ist. Giovanni Cerchiari vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat dafür den Laser für die Positronium-Spektroskopie eingerichtet und gewartet. „Dies ist die allererste Demonstration der Laserkühlung dieses exotischen Materie-Antimaterie-Systems und damit eines Atoms, das nur aus leptonischer Materie besteht“, freut sich Cerchiari. Die AEgIS-Kollaboration möchte lasergekühltes Positronium als Vorstufe für die Bildung von Antiwasserstoffatomen, dem Antiteilchen von Wasserstoff, verwenden. Durch den Einsatz von lasergekühltem Positronium wird die Ausbeute an Antiwasserstoff verbessert, der dann für die Präzisionsmessung des freien Falls von Antimaterie im Gravitationsfeld der Erde verwendet werden soll. Dieses Experiment soll einen neuen Meilenstein bei der Überprüfung des Äquivalenzprinzips der allgemeinen Relativitätstheorie für Antimaterie setzen und könnte die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie aufdecken.
Dieser Fortschritt wirkt sich auf mehrere Bereiche der Physik aus und bildet möglicherweise die Grundlage für neue Experimente und technologische Fortschritte. „Einige Beispiele dafür sind die Untersuchung der fundamentalen Physik jenseits der Grenzen des Standardmodells der Teilchenphysik, die Erforschung des möglichen Einsatzes eines Gammastrahlenlasers zur Analyse von Bose-Einstein-Kondensaten mit Antimaterie, die Überprüfung des Äquivalenzprinzips der Gravitation mit Antimaterie in einem rein leptonischen System und die Nutzung der empfindlichen Positronium-Annihilation zur Untersuchung der mikroskopischen Eigenschaften von Materialien“, sagt Giovanni Cerchiari.
Die jetzt in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit liefert eine umfassende Analyse des Experiments und seiner Auswirkungen. Gemeinsam mit einer ähnlichen Untersuchung eines japanischen Teams wird sie eine neue Grundlage für zukünftige Entwicklungen auf dem Gebiet der physikalischen Forschung schaffen.
Publikationen:
Positronium laser cooling via the 13S-23P transition with a broadband laser pulse. L. T. Glöggler et al. Phy. Rev. Lett. 2024 DOI:
10.1103/PhysRevLett.132.083402, arXiv:2310.08760
Laser cooling of positronium. K. Shu et al. arXiv:2310.08761