Если связать электрон и позитрон в квантовомеханическую систему, то получится экзотический атом под названием позитроний. Эта атомоподобная структура интересует физиков как хорошая площадка для исследования квантовой электродинамики, поиска нарушений CPT-симметрии и проверки влияния гравитации на антиматерию (подобно тому, как это уже сделали для системы протон-позитрон).
Однако экспериментальное исследование позитрония требует его охлаждения до сверхнизких температур, например, с помощью лазера. И здесь у исследователей есть несколько проблем. Во-первых, мешает малое время жизни позитрония (около сотни наносекунд), то есть охлаждать нужно очень быстро. Во-вторых, большой сдвиг частоты, вызванный сильной отдачей: так как масса позитрония почти на три порядка меньше массы атома водорода, то при поглощении лазерного импульса резонансная частота резко меняется, а лазерное охлаждение останавливается уже после первого цикла. Все это не позволяет физикам охладить позитроний классической техникой лазерного узкополосного охлаждения.
Косуке Йошиока (Kosuke Yoshioka) из Токийского университета и его коллеги использовали технику широкополосного лазерного охлаждения с постоянно меняющейся центральной частотой, благодаря чему им удалось охладить позитроний практически до абсолютного нуля.
Чтобы получить позитроний, с которым можно проводить эксперимент, физики облучили аэрогель из оксида кремния пучком позитронов, примерно половина которых образовала атомы позитрония и диффундировала через аэрогель в охлаждающую установку. Внутри вакуумной камеры установки экзотические атомы встретились с лазерными импульсами длительностью 0,1 наносекунды. Благодаря тому, что центральная частота лазерных импульсов постоянно менялась с высокой скоростью (на 500 гигагерц за микросекунду), ученые компенсировали сильную отдачу позитрония и добились его охлаждения в сотни раз.
Получившиеся холодные частицы физики поймали с помощью микроканальной пластины и измерили температуру позитрониевого газа до начала охлаждения и после: при выходе из аэрогеля атомы позитрония имели температуру около 600 кельвин, а спустя 100 наносекунд их температура снизилась до 0,8-1,4 кельвина.
Авторы работы отметили, что их экспериментальная методика может быть модернизирована для получения макроскопических количеств позитрония с охлаждением до более низких температур. В будущем это позволит подробнее исследовать свойства экзотических атомов и антиматерии в целом.
Схема экспериментальной установки по охлаждению позитрония. На врезе изображена регистрация фотоионизированного позитрония