Actuellement, l'un des principaux objectifs de la science ultrafroide est de refroidir les atomes d'antihydrogène jusqu'à un niveau aussi proche que possible du zéro absolu. L'antihydrogène ultrafroid ouvrirait la voie à des expériences ultraprécises sur l'antimatière qui pourraient aider à répondre à certaines des questions les plus déroutantes sur l'antimatière. Par exemple, Comment la gravité agit-elle sur l'antimatière ? Pourquoi ne voyons-nous pas d'antimatière dans l'univers ? Et serait-il possible de créer des antiatomes de tous les éléments du tableau périodique en laboratoire ?

Dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , une équipe de physiciens d'Allemagne et des États-Unis a étudié l'un des candidats les plus prometteurs pour le prérefroidissement de l'antihydrogène, qui est l'ion lanthane chargé négativement.

La raison pour laquelle les anions de lanthane peuvent jouer un rôle clé dans les expériences sur l'antimatière est qu'ils ont juste les bonnes propriétés électroniques pour subir un refroidissement laser, une procédure qui peut refroidir un système à certaines des températures les plus froides possibles. Une fois les anions de lanthane refroidis au laser, ils peuvent ensuite être utilisés pour refroidir sympathiquement les antiprotons, qui sont l'un des deux constituants de base des atomes d'antihydrogène (l'autre est le positron, qui est un électron chargé positivement). De l'antihydrogène ultrafroid peut alors être produit à partir des antiprotons qui ont été refroidis sympathiquement par les anions refroidis par laser.

Afin de mettre en œuvre avec succès cette approche, cependant, il est nécessaire d'étudier plusieurs propriétés de l'anion de lanthane en ce qui concerne le refroidissement laser. Comme les scientifiques l'expliquent dans le nouveau document, la structure électronique compliquée des anions de lanthane rend ce type d'analyse très difficile, et les efforts antérieurs ont entraîné de grandes incohérences entre les données théoriques et expérimentales.

Pour relever ces défis, les scientifiques ont réalisé de nouvelles expériences en utilisant des techniques de spectroscopie de pointe, et a également présenté une nouvelle approche théorique. Dans leur approche théorique, ils ont séparé le traitement des corrélations électroniques en deux problèmes. Comme l'anion de lanthane a 58 électrons, les chercheurs ont traité l'anion de lanthane comme un noyau de type xénon (avec 54 électrons) avec quatre électrons de valence supplémentaires. En adressant séparément les électrons de cœur et les électrons de valence, ils ont pu calculer des données théoriques qui correspondaient étroitement aux données expérimentales. L'un des résultats encourageants est qu'ils ont trouvé une transition de refroidissement plus forte que prévu, ce qui suggère le potentiel prometteur des anions de lanthane pour la production d'antihydrogène ultrafroid.

"Nous avons maintenant complètement caractérisé la transition pertinente dans l'anion de lanthane, y compris tous ses canaux de désintégration, et sachez que l'ion peut être refroidi au laser. Exactement 40 ans après le premier refroidissement laser d'un ion positif, le refroidissement laser d'un ion négatif approche à grands pas, " co-auteur Alban Kellerbauer, à l'Institut Max Planck de physique nucléaire, Raconté Phys.org . "Résumer, nous avons mesuré avec précision la fréquence de transition et, le plus important, la section efficace (qui peut être utilisée pour calculer directement le taux de transition). Les calculs théoriques portaient principalement sur les ratios de branchement et aussi sur les taux de transition, y compris celui mesuré de la transition de refroidissement laser. Les valeurs calculées et mesurées (du coefficient d'Einstein, ce qui est encore une autre façon d'exprimer la section/taux) s'accordent bien, ce qui prend en charge les incertitudes beaucoup plus faibles des valeurs calculées par rapport aux efforts précédents."

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