Realizzato il primo raffreddamento laser di una nuvola di atomi di positronio

Per la prima volta, una nuvola di atomi di positronio, l’atomo più leggero presente in natura, è stata raffreddata grazie all’utilizzo di un laser. A ottenere la lungamente attesa prova sperimentale di questo processo è stata la collaborazione scientifica dell’esperimento AEgIS, presso il CERN di Ginevra, alla quale contribuiscono vari Istituti di ricerca europei e in particolare anche un gruppo di ricercatori dell’Università degli Studi di Milano, guidati da Fabrizio Castelli, docente di Fisica Teorica della Materia del dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli".

Questo risultato, pubblicato oggi 22 febbraio, su Physical Review Letters come Editor’s Highlight, è stato ottenuto impiegando una tecnica di raffreddamento laser. In particolare, il sistema laser è basato su un cristallo di alessandrite ed è stato sviluppato specificamente per soddisfare i necessari requisiti di questo esperimento: alta intensità, ampia larghezza di banda e lunga durata dell'impulso. La temperatura degli atomi di positronio, che vengono prodotti a temperatura ambiente da un bersaglio nanoporoso di ossido di silicio colpito da un fascio di positroni, è diminuita da 380 gradi Kelvin a 170 gradi Kelvin, corrispondente a una diminuzione della componente trasversale della velocità da 54 km/s a 37 km/s. 

Il positronio è un atomo costituito da un elettrone e da un positrone, che è l’antiparticella dell’elettrone, di uguale massa ma di carica positiva. E’ quindi simile ad un atomo di idrogeno, ma con il positrone che sostituisce il protone, e di conseguenza risulta più leggero dell'idrogeno di circa un fattore 2.000. È un atomo instabile: nel vuoto e nello stato fondamentale (con spin paralleli delle due particelle), si annichila con un tempo di vita di soli 142 nanosecondi (miliardesimi di secondo). Il raffreddamento del positronio deve avvenire durante la sua breve vita, e questo è il motivo che rende così impegnativo riprodurre questo processo, rispetto agli atomi ordinari. L’uso di un laser pulsato a larga banda ha il vantaggio di raffreddare una grande frazione della nuvola di positronio, raddoppiandone dinamicamente il tempo di vita effettivo e rendendo disponibili dopo il raffreddamento un numero maggiore di atomi per ulteriori sperimentazioni.

L’obiettivo scientifico dell’esperimento AEgIS, uno degli esperimenti che opera nella Antimatter Factory del CERN, è la misura dell’accelerazione gravitazionale dell’antidrogeno, come test fondamentale del principio di equivalenza debole di Einstein per l’antimateria. Questo principio, ben verificato per la materia ordinaria, è uno dei capisaldi della teoria della Relatività Generale, secondo cui un corpo che si muove in caduta libera in un campo gravitazionale segue una traiettoria nello spazio indipendente dalla composizione del corpo stesso. Al CERN  la verifica di questo principio nel caso dell’antimateria viene attivamente studiata per mezzo dell’antidrogeno che, nel caso di AEgIS, è ottenuto mediante una reazione proprio tra il positronio in stato eccitato e antiprotoni intrappolati. Minore è la velocità del positronio, maggiore è la probabilità di formazione dell'antidrogeno: da qui l'importanza di raffreddare gli atomi di positronio per ridurne il più possibile l’energia cinetica, e produrre sorgenti più intense di antidrogeno per le misure gravitazionali.

La realizzazione di una nuvola densa di atomi di positronio freddi rende anche possibili misure di spettroscopia con precisione senza precedenti, e apre anche a esperimenti per misurare l'interazione gravitazionale su un sistema misto materia/antimateria composto solo di leptoni,  come quelli che intende realizzare in futuro la collaborazione AEgIS.

“La disponibilità di atomi di positronio sufficientemente freddi non riguarda solo ricerche di fisica fondamentale, ma è di interesse anche più ampio”, spiega Ruggero Caravita, ricercatore all’INFN che guida la collaborazione internazionale AEgIS. “Il positronio raffreddato via laser presenta, infatti, delle peculiarità che lo rendono un sistema attrattivo anche per il suo potenziale impatto tecnologico: in particolare, apre la via alla condensazione di Bose-Einstein, dove gli atomi occupano un singolo stato quantico, un risultato già ottenuto nel caso della materia ordinaria raffreddata con laser”. “Un condensato di Bose-Einstein di positronio – prosegue Caravita – è un forte candidato alla realizzazione in laboratorio di una sorgente pulsata di raggi gamma monocromatici tramite l’annichilazione stimolata del condensato. Se questi si rivelassero anche coerenti come recentemente ipotizzato, si sarebbe realizzato un laser pulsato nello spettro dei gamma, con un’ampia serie di applicazioni scientifiche e tecnologiche, dalla spettroscopia gamma all’imaging medicale”. 

L’esperimento AEgIS, che da sempre è a trazione italiana, vede l'INFN tra i protagonisti scientifici e tra i principali finanziatori dell’esperimento AEgIS, nell’ambito della collaborazione nazionale LEA (Low Energy Antimatter) che raggruppa in un unico progetto le diverse attività scientifiche dell’Istituto in questo settore. Della collaborazione scientifica AEgIS fanno parte, oltre che l’Università degli Studi di Milano, anche la Sezione INFN di Milano e gruppi di ricerca dell’Università di Trento, del Centro Nazionale dell’INFN TIFPA di Trento, del Politecnico di Milano, della Sezione INFN di Pavia e dell’Università di Brescia.

"L’Università degli Studi di Milano - spiega il professor Fabrizio Castelli - ha partecipato alla collaborazione AEgIS fin dalla sua nascita, una dozzina di anni fa, con un gruppo di ricercatori e dottorandi del Dipartimento di Fisica “Aldo Pontremoli”. In particolare, l’attività scientifica ha riguardato la fisica del positronio, sia per gli aspetti teorici, sia soprattutto per la realizzazione di sistemi laser, tra cui uno specificamente dedicato alla eccitazione del positronio sul terzo livello. Questo ha permesso una serie di studi ed esperimenti che sono infine culminati in questo fondamentale".

La collaborazione AEgIS condivide il risultato ottenuto con un gruppo di ricerca indipendente, che ha utilizzato una tecnica diversa e ha pubblicato il risultato su arXiv lo stesso giorno di AEgIS.