La collaborazione internazionale AEgIS ↗ (Antimatter Experiment: gravity, Interferometry, Spectroscopy) al CERN, alla quale partecipa, per conto del Politecnico di Milano, il prof. Giovanni Consolati ↗ del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali, ha dimostrato sperimentalmente, per la prima volta, il raffreddamento laser del positronio (Ps), utilizzando un particolare sistema laser (ad alessandrite), sviluppato precisamente per soddisfare le richieste del raffreddamento: elevata intensità, elevata larghezza di banda e lunga durata dell’impulso.

La temperatura equivalente degli atomi di Ps emessi da un convertitore poroso (a temperatura ambiente), colpito da un fascio di positroni, è diminuita da 380 K a 170 K, corrispondente a una diminuzione della componente trasversale della velocità quadratica media del Ps da 54 km/s a 37 km/s.

Il Ps è un ‘fratello minore’ dell’idrogeno, con un positrone che rimpiazza il protone. Di conseguenza, è più leggero dell’idrogeno di circa un fattore 2000 e i livelli energetici sono ridotti di un fattore 2. È un sistema instabile: in vuoto e nello stato fondamentale, con gli spin paralleli delle due particelle, annichila con una vita media di soli 142 nanosecondi. Il raffreddamento laser deve avvenire durante la sua breve vita media ed è questo che rende la sua realizzazione così difficoltosa rispetto agli atomi ordinari. L’utilizzo di un laser pulsato a banda larga ha il vantaggio di raffreddare una grande frazione di atomi di Ps mentre incrementa la loro vita effettiva, producendo quindi un più elevato numero di atomi di Ps raffreddati, a disposizione per ulteriori esperimenti.

AEgIS ha come obiettivo la misura dell’accelerazione gravitazionale dell’antidrogeno (come test del principio di equivalenza debole per l’antimateria): quest’ultimo è ottenuto mediante una reazione tra il Ps in uno stato eccitato e antiprotoni intrappolati. Minore è la velocità del Ps, più elevata è la probabilità di formazione di antidrogeno, per cui è importante produrre Ps con la più bassa energia cinetica possibile.

La disponibilità di atomi di Ps sufficientemente ‘freddi’ è della massima importanza per la scienza fondamentale, per esempio per la spettroscopia di precisione dei livelli eccitati del Ps, che permetterebbe una verifica dell’elettrodinamica quantistica a livelli finora mai raggiunti, o anche di effettuare un test del principio di equivalenza con un sistema puramente leptonico.
Inoltre, la possibilità di produrre un insieme di atomi di Ps a bassissima temperatura potrebbe aprire la strada al primo condensato di Bose-Einstein di antimateria (BEC, già ottenuto con raffreddamento laser di atomi ordinari), uno stato nel quale fenomeni quanto-meccanici si manifestano macroscopicamente. Uno stato BEC del positronio implicherebbe annichilazione stimolata, che è stata proposta come un modo per produrre radiazione elettromagnetica coerente nel campo dei raggi gamma.

Il risultato è stato pubblicato su Physical Review Letters come Editor’s Highlight ↗