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反物质,慢点飞!

 楚科奇0118 2021-04-26

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在我们的宇宙故事中,反物质扮演着非常重要的角色。几乎在各个层面,反物质都与物质一样,唯一的区别就在于——它们有着相反的电荷。当物质与反物质碰撞之后,它们会湮灭释放出能量。

根据已知的物理学定律,我们认为在宇宙大爆炸之后,应当产生了等量的物质和反物质。然而,现在的宇宙观测结果告诉我们——事实并非如此。与遍布于宇宙的普通物质相比,宇宙中几乎没有反物质。那么,反物质都去哪了?

为了解开这个宇宙之谜,物理学家在过去的数十年时间里一直致力于研究反物质的各种特征,希望能够找到物质和反物质之间的微小差异。因为这些微小的差异或许正是解开物质与反物质的不对称性之谜的关键,无论多么小,都会迫使科学家从根本上重新思考物理学的理论基础。

然而,研究反物质是一件极具挑战的事情,因为创造反物质需要巨大的能量,而且即便产生了,它们也会很快的湮灭消失。不久前,一个国际物理学家团队在《自然》杂志上发表的一篇新研究表明,他们研究出了一种新的方法,能够成功地利用激光束对反物质原子进行冷却,将反物质原子的速度降至前所未有的低速。这为科学家提供了更好地对这些反物质原子进行极高精度测量的机会,朝着实现解决宇宙中反物质缺失之谜的目标迈出了重要一步。

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正如物质是由原子组成的一样,反物质是由反原子组成的。最简单的反原子是反氢原子(与氢原子对应的反物质),它由一个正电子和一个反质子组成。但是,制造反氢原子并不容易。经典高能物理学提供的解决方法是使用粒子加速器——将巨大的动能转化为可供我们研究的大量亚原子。

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图片 反氢原子的结构。

粒子加速器可以用来制造反质子,每一个可用的反质子的产生,就需要用到100万个质子和至少2600万倍最终存储于反质子中的能量。这样的情况使得每个反质子的制造都异常珍贵。在制造出足够多的反质子后,我们还需要正电子。与反质子相比,正电子的获取要容易得多,科学家可以从放射性核素中收集正电子。等到这些核心原料都制备完成之后,接下来要做的就是将它们组合起来。

这一过程是通过迫使反质子和正电子在一个电磁阱中接触来实现的,而且其中一个关键点在于这个过程必须发生在真空中,因为如果反粒子与由物质组成的仪器的任何部分接触——就会发生湮灭,尽数消失。在完成了所有这些步骤之后,才有可能形成可用于测量的反氢原子,被一组磁场固定在真空中

1995年,欧洲核子研究中心(CERN)首次制造出了这种反物质,当时,CERN的粒子加速器中产生了11个反氢原子,它们以大约90%的光速的速度从一个10米长的真空管中飞驰而下,但每个反原子只存在几十纳秒就消失了。对它们首次测量发生在2012年,当时研究人员测量的是存在于反氢原子的两个能态之间的一个关键原子跃迁。

目前CERN的反质子减速器能够成功地让上千个反氢原子“悬浮”在真空中长达数小时。这使得物理学家对反氢原子的跃迁测量能精确到小数点后12位,这是对反氢原子的最佳测量,其精确度与氢原子的最佳测量相比,还相差三个数量级(可精确到小数点后15位)

限制了测量结果的精确度的原因在于被捕获的反原子本身的动量。其实自反氢原子被制造出来之后,随后的很多与反氢原子的研究都涉及到如何能发展出新方法来制造出运动速度更慢的反原子。尽管现在的反氢原子比25年前产生的第一个反氢原子要慢得多,但它们仍会在磁阱中随机移动,速度高达每小时300千米。如果能进一步减少这种移动,测量结果将会更加精确。

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现在,新研究通过用一束紫外线激光照向反氢原子,实现了这一目标。

激光中的光是由光子组成的,光子本身具有动量,可以对物质粒子和反物质粒子都施加机械力。当一个原子吸收光子时,原子的速度会发生轻微变化。虽然这一现象在日常生活中难以被检测到,但在微观层面,当质量微小的反氢原子吸收了一个紫外线激光光子时,其时速可以改变约12千米。

在新研究的实验中,通过遵循这一基本原理,研究人员利用激光束的动量,减慢被捕获的反氢原子,将它们冷却到接近绝对零度。

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图片 原子向激光移动时会经历多普勒效应,这种多普勒效应能缩短激光的波长,由此产生的新波长能与原子所要能吸收的光子能量完全匹配。光子吸收的同时原子受激,使得原子的移动变得更慢。| 参考来源:Nature

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