歐洲核子研究中心（CERN）的國際反物質實驗（AEgIS：重力、干涉測量、光譜學）合作計畫（航空航天科學與技術系的Giovanni Consolati 教授代表米蘭理工大學參與了該計畫）首次在實驗中展示了正電子（Ps）雷射冷卻，該專案使用了一種特殊的雷射系統（基於亞歷山大石的雷射系統），該系統是專門為滿足冷卻要求（高強度、大頻寬和長脈衝持續時間）而開發的。

正電子冷卻。歐洲核子研究中心的AEgIS 合作小組在實驗中展示了使用基於變石的雷射系統對正電子進行雷射冷卻。資料來源：歐洲核子研究中心-米蘭理工大學

研究人員成功冷卻了正電子原子，對反物質研究產生了重大影響，並促成了量子電動力學的新實驗和反物質玻色-愛因斯坦凝聚物的可能性。

被正電子束擊中的多孔靶（室溫）中流出的Ps 原子的等效溫度從380 K 降至170 K，相應地，Ps 均方根速度的橫向分量也從54 km/s 降至37 km /s。

正電子的獨特性質

Ps 是氫的小兄弟，正電子取代了質子。因此，它比氫輕約2000 倍，能階降低了2 倍。它很不穩定：在真空和基態下，兩個粒子的自旋平行，它的湮滅壽命只有142 毫微秒。在其短暫的生命週期內，必須進行Ps 冷卻，這使得這一過程相對於普通原子而言極具挑戰性。使用大頻寬脈衝雷射的好處是可以冷卻大部分正電子雲，同時延長它們的有效壽命，從而在冷卻後獲得更多的Ps 供進一步實驗使用。

對反物質研究的影響

AEgIS 實驗的目的是測量反氫氣的重力加速度（作為反物質弱等價原理的測試）​​，在該實驗中，最後一個加速度是透過處於激發態的Ps 與被困反質子之間的反應獲得的。Ps的速度越低，形成反氫的機率就越高，因此必須盡可能產生動能最低的Ps。

推進基礎科學與潛在應用

獲得足夠”冷”的Ps 原子對基礎科學至關重要，例如，對Ps 激發能階進行精密光譜分析，可以前所未有的精度測試量子電動力學，或用純輕子系統測試等效原理。

此外，建立一個冷鉑原子集合體的可能性可以為第一個反物質玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC，已通過激光冷卻普通原子獲得）鋪平道路，在這種狀態下，量子力學現象會宏觀地顯現出來。正電子玻色-愛因斯坦凝聚態將導致受激湮滅，這已被提議作為產生伽馬射線能量範圍內的相干電磁輻射的一種方法。

這項成果已作為編輯亮點發表在《物理評論快報》上。

編譯來源：ScitechDaily