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科学家首次测量反物质氢原子光谱

时间: 2016年12月23日 | 作者: Edwin Cartlidge | 来源: Science Alert
欧洲核子研究组织( CERN)的 ALPHA 项目研究人员首次测量了反原子的跃迁。虽然测量结果与普通氢原子的行为没有不同,但也许有朝一日,更精确的实验会发现两者的细微差别,揭示一

欧洲核子研究组织(CERN)的 ALPHA 项目研究人员首次测量了反原子的跃迁。虽然测量结果与普通氢原子的行为没有不同,但也许有朝一日,更精确的实验会发现两者的细微差别,揭示一种新的“物质-反物质不对称性”(matter-antimatter asymmetry)。

 

该实验测量的是反氢原子(由一个正电子和一个反质子组成)的1s-2s跃迁(从基态跃迁到激发态)。这一过程对是否破坏 CPT 对称性(电荷-宇称-时间反演对称性)敏感。如果物理系统的行为在电荷、宇称和时间反演的共同作用下保持不变,我们就说该系统具有 CPT 对称性。虽然 CPT 对称性具有坚实的理论支持,但实验物理学家仍热衷于对它进行检验。原因之一在于破坏 CPT 对称性也许能够解释为什么今天的宇宙几乎完全由物质组成——即使在大爆炸期间理应产生等量的物质和反物质。

 

 CERN 的其他几个反物质实验项目一样,ALPHA 从反质子减速器(Antiproton Decelerator)中取得反质子,然后使它们减速、冷却,再与来自 Na-22放射源的正电子(已经过冷却)结合,产生反氢原子。由于反氢原子具有微小的磁偶极矩,它们被陷俘在由几个磁场叠加产生的特殊的势阱中。

 

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ALPHA 研究团队部分成员合影

 

逃脱磁阱

 

为了进行光谱测量,Hangst 与其同事将一束激光射入磁阱,并使其在两面镜子之间来回反射。经过调谐,激光的频率最终大约是普通氢原子1s-2s跃迁频率的一半。这是因为该跃迁涉及两个光子的吸收,并且其频率由于磁阱的存在而受到影响。发生跃迁后,部分反氢原子逃脱磁阱——由于吸收了第三个光子导致电离或是发生自旋翻转。通过调节激光频率甚至关掉激光,研究人员在不同情况下将上述过程重复了11次并进行测量。

 

他们发现当激光被调谐到1s-2s跃迁频率的一半时,平均不到60%的反原子逃脱磁阱,与预期一致。而在其他频率或关闭激光时,没有反原子(在统计误差范围内)逃脱磁阱。这表示反氢原子在预期的频率处发生跃迁,因此和普通氢原子行为一致。

 

虽然这一结果对 CPT 对称性没有任何威胁,但该实验显示了反原子研究领域取得的巨大技术进步:产生、冷却并捕获反氢原子。特别地,Hangst 的团队最近在两个领域取得了进展:同时捕获大量反原子,在过去一年中,数量从一个提高到14个;在磁阱周围建造谐振腔,用于提高激光强度,使其能与少量反原子发生相互作用。

 

开幕礼炮

 

ALPHA 的成果获得了 CERN 的其他反物质研究团队的赞誉。ASACUSA 实验发言人,东京大学的 Ryugo Hayano 认为该研究是个“非常重要的里程碑”。而 AEgIS 发言人 Michael Doser 则表示它是“精确测量反氢原子光谱的开幕礼炮”。

 

然而,所有人都一致认为,要将实验精度提高大约五个数量级,与普通氢原子的光谱测量进行比较并不容易。 Doser 表示这将带来许多挑战,包括如何在毫开尔文的温度下制备反氢原子,以便更多反氢原子可以被磁阱捕获;如何减少甚至消除磁场对反原子能级的影响。但他补充说,ALPHA 在解决技术问题方面非常高效。

 

Hangst 表示,在反质子减速器于明年春天再次开启后,他们下一步将利用更多不同波长的激光进行反氢原子光谱测量。

 

喜悦与遗憾

 

ATRAP 实验的发言人,哈佛大学的 Gerald Gabrielse 说:“我期待着有一天,ALPHA 或 ATRAP 最终得到完整且高精度的1s-2s共振光谱。” 他补充说,实际上他的团队比 ATHENA(ALPHA 的前身)早十年就开始研究反氢原子光谱。在喜悦的同时,他也遗憾 ATRAP 没有第一个得到结果。

 

不过,根据美因茨大学的 Walter Oelert 所说,提高光谱测量精度的竞争仍很激烈。虽然 ALPHA 赢在起跑线上,但无法预测哪个团队将最先达到10-15的目标。

 

撰文 Edwin Cartlidge

翻译 彭晓晗

 

原文链接:

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/19/antiatoms-yield-their-first-optical-spectrum


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