Cold atoms and antiatoms


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2013
End date: 31/12/2017
Funding: 3100000 SEK


Description

Universums innersta kan avslöjas vid låga temperaturer Den här ansökan består av två delar, med det gemensamma att de syftar till att förstå naturens mest grundläggande egenskaper genom att studera atomer som fångats vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Den första delen gäller deltagande i ett projekt som kallas ALPHA vid det europeiska fysiklaboratoriet CERN. ALPHA:s mål är att söka efter skillnader mellan materia och antimateria genom att studera antiatomers inre egenskaper. Antimaterien är den vanliga materiens spegelbild - för varje sorts partikel vi känner till finns det också en antipartikel, som så vitt vi vet är likadan, förutom att den har motsatt laddning. Så finns det alltså en anti-elektron, eller positron, som är som en vanlig elektron, fast med positiv laddning. Det finns också en antiproton som är den vanliga protonens spegelbild. Precis som en proton och en elektron kan sättas ihop till en väteatom kan en antiproton och en positron sättas ihop till den enklaste antiatomen - antiväte. En skillnad är dock att antiprotoner och positroner inte förekommer naturligt runt om oss - varför det är så vet vi inte, och det är en av de gåtor vi hoppas kunna förstå bättre genom att studera antiatomer. Praktiskt betyder det dock att vi måste tillverka antiatomerna själva. För det behövs antiprotoner, som levereras av CERNs antiproton-decelarator, och positroner som kommer från radioaktivt sönderfall av natrium. ALPHA lyckades nyligen som första experiment inte bara skapa antiväte-atomer utan också hålla fast dem i en atomfälla i så länge som omkring 15 minuter. Dessutom lyckades ALPHA nyligen göra en första studie av antiatomernas inre, genom att se hur de reagerar på mikrovågsstrålning. För att hålla fast antiatomerna måste de dock vara kallare än en halv grad över absoluta nollpunkten. Det är extremt svårt att tillverka antiatomer vid så låga temperaturer, vilket gör att vi hittills bara lyckats fånga några enstaka antiatomer åt gången. Min forskning handlar om att hitta metoder för att öka detta antal. Det handlar bland annat att i detalj förstå processen där antiväte skapas. Detta sker då en antiproton krockar med minst två positroner i ett plasma som hålls fast i en partikelfälla. Antiatomer i det tillstånd som först skapas är dock för sköra för att kunna hålla ihop i en atomfälla. Därför måste en serie kollisioner till för att stabilisera antiatomen, men i det flesta fall förstörs den istället. En metod att skapa kallare antiatomer är att i förväg kyla partiklarna som antiatomerna skapas från. Ett sätt att kyla positroner är att låta dem komma i kontakt med en kallare gas. En sådan gas kan skapas av positiva joner som kan kylas med hjälp av lasrar. Det gäller dock att se till att jonerna inte har egenskaper som förstör experimentet. Till exempel måste antiväte atomerna överleva kollisioner med dessa joner med tillräckligt hög sannolikhet. En annan del av projektet handlar om vanliga atomer vid extremt låga temperaturer, där atomernas kvantmekaniska egenskaper blir påtagliga. I de flesta situationer är det tillräckligt att förstå hur atomerna växelverkar parvis, något som vi har en ganska bra förståelse av. Jag vill istället studera situationer där tre atomer växelverkar. Redan 1970 formulerade Vitali Efimov en teori för hur tre atomer som kommer samman kan beskrivas. Denna teori är "universell", vilket betyder att den är densamma oberoende av vilken sorts atom det är frågan om, eller hur de växelverkar (inom vissa gränser). Han förutsade också att tre atomer kan bindas samma i en speciell sorts universellt tillstånd, som har uppkallats efter honom. Först 2006 upptäcktes det att Efimov-tillstånd skapas i moln av ultrakalla atomer. Sedan dess har experimentalister och teoretiker fortsatt att studera dessa tillstånds egenskaper, och hittat analoga former av tillstånd i andra system. Mitt mål är att genom att jämföra den universella teorin för tre-kroppstillstånd med mer fullödiga numeriska beräkningar testa gränserna för teorins giltighet. Vi vet till exempel att vid alltför höga temperaturer kan den universella teorin inte fungera, men vi vet inte riktigt var gränsen går och vad som sätter gränsen. Genom att få en bättre förståelse för detta kan vi också bättre förstå de experiment som utförs. Det kanske också kan vara möjligt att hitta generaliseringar av den universella teorin som kan ha ett större tillämplighetsområde.

Last updated on 2017-22-03 at 07:13