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科学家测量反物质光谱 检验物理学最基本的原理

2016年12月23日 10:18:31 作者:  来源:DeepTech深科技

  粒子物理的标准模型(Sandard Model)认为,宇宙大爆炸时产生了等量的物质和反物质。但是为什么现在宇宙中物质远比反物质多,却没人能解释清楚。最近《Nature》杂志上发表的一篇文章中,负责进行ALPHA实验*的团队报告了对反物质原子光谱的首次测量。这个成就开创了高精度研究反物质的全新时代。这是欧洲核子中心(CERN)研究反物质的科学家20多年的工作成果。

  *AlPHA是一个位于欧洲核子中心的国际合作实验,主要任务是研究捕获的反氢原子。该团队希望通过对于氢原子和反氢原子的对比,找出正物质与反物质间的差异和基本原理。为了便于表述,下文中将进行ALPHA试验的团队统称为AlPHA团队。

科学家测量反物质光谱 检验物理学最基本的原理

  ALPHA合作发言人杰弗里·哈恩斯特(Jeffrey Hangst)说:“我们使用激光观察反氢中的电子跃迁,并与氢的结果进行比较,看它们是否遵循相同的物理定律。一直以来,这都是反物质研究的一个主要目标。”

  原子由原子核以及绕原子核旋转的电子组成。当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,它会吸收或发射特定波长的光,形成原子的光谱。每种元素都有独特的光谱。因此,光谱学是物理学、天文学和化学等许多领域中常用的工具。借助光谱,人们可以了解原子和分子及其内部的状态。例如,在天体物理学中,分析遥远恒星的光谱可以让科学家确定它们的组成。

  氢是宇宙中最丰富的元素,而且它结构简单并易于研究,科学家对氢元素光谱的测量可以达到很高的精度。但科学家对反氢原子的了解则相当有限。在测量反氢谱之前,必须反质子和正电子组装成反氢原子。而且为了达到足够的统计显著性,需要产生足够的反氢原子。这是一个艰难的过程,但却值得付出努力,因为如果氢和反氢的光谱如果存在差异,将会对当今的物理学形成巨大的挑战,并可能有助于科学家了解宇宙中的物质-反物质不平衡的谜题。

  ALPHA团队首次观察到反氢原子的光谱,使得比较物质和反物质光谱成为可能。在实验误差内,结果显示反氢与氢中的等效谱线没有差异,这与粒子物理学的主流理论标准模型一致。

  ALPHA团队期望在未来提高测量的精度。以高精度测量反氢光谱为测试物理学基本原理提供了一种非凡的途径,测试物质是否与反物质存在不同的性质,从而进一步验证标准模型。

  ALPHA实验使用了位于CERN的反质子减速器,能够产生反氢原子然后束缚在特别设计的磁阱中,并能一次操作几个原子。这种捕获反氢原子的手段允许科学家使用激光或其它辐射源展开研究。

  “移动和捕获反质子或正电子很容易,因为它们是带电粒子,”哈恩斯特说。“但两者结合得到的是中性的反氢,所以捕获反氢原子难上加难。基于反氢带有一些磁性的事实,我们设计了非常特殊的磁阱。

  ALPHA团队是如何制造反氢原子的呢?他们将反质子减速器产生的等离子体(含有约90,000个反质子)与正电子混合来制备反氢,每次运行可以产生约25,000个反氢原子。如果产生的反氢原子运动足够缓慢,就可以被捕获到。ALPHA团队的新技术每次试验平均可以捕获到14个反氢原子。通过使用合适频率的激光束照射被捕获的原子,科学家可以观察光束与反氢的相互作用。科学家测量的是电子从1S轨道到2S轨道的跃迁,谱线宽度很窄,因此特别适合精确测量。

  目前科学家在CERN继续发展相关的技术。也许有朝一日人们会揭开物质-反物质不平衡的难题。

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