欧洲核子研究中心首次成功制造出反氢原子束

2014-1-24 09:48 来源: 科技日报
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  据物理学家组织网1月22日(北京时间)报道,欧洲核子研究中心(CERN)的ASACUSA(低速反质子原子光谱和碰撞)实验首次成功制造出反氢原子束,并在产生反氢原子地方向下2.7米的范围内,即远离强磁场的区域,检测到80个反氢原子。这个结果意味着朝向精确的超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步。该研究结果刊登在1月21日的《自然·通讯》杂志上。

  为什么宇宙是由正物质而非反物质构成?当前有关亚原子世界的最优理论——粒子物理标准模型也无法给出答案。但科学家认为,物质和反物质属性之间的微小差异可能就是答案所在,而这种差异体现在违反CPT对称定理上。CPT对称指把粒子用反粒子替换,右手坐标系换成左手坐标系,以及所有粒子速度反向,物理定律不变。而反氢原子由一个反质子和一个正电子构成,这样简单的结构是测试CPT 对称的最佳模型。

  迄今,在宇宙中从未观测到原始的反物质,CERN在实验中通过将反电子(正电子)和由反质子减速器产生的低能量反质子混合,产生大量反氢原子。氢和反氢原子的光谱预测是完全相同的,所以在它们之间的任何微小差异会给新的物理学打开一扇窗口,并可能在解决反物质之谜方面有所助力。凭借其单一质子只伴随有一个电子,氢是最简单存在的原子,在现代物理学中是最精确研究并极好理解的一种体系。因此,比较氢和反氢原子构成是执行物质/反物质对称性高精度测试的最佳途径之一。

  当物质和反物质相遇,它们会立刻消减,因此除了创建反氢原子,保持反原子(由反粒子组成的原子)远离普通物质更是关键挑战。要做到此点,实验需利用反氢原子的磁特性(类似于氢气的),并使用非常强的非均匀磁场诱捕反原子足够长的时间来研究。然而,强磁场的场梯度会降低(反)原子的光谱性质。

  在ASACUSA实验中,研究人员开发出一个创新的粒子陷阱装置——“卡斯波”陷阱,可利用多个磁场的综合作用将反质子和正电子集合到一起,形成反氢原子。然后这些反氢原子转移到远离强磁场的区域,导入真空管状通道中呈现飞行状态,由此测量反氢原子由基态开始的超精微跃迁。

  ASACUSA协作团队领导者、日本理化学研究所山崎说:“由于反氢原子没有电荷,这给将其从陷阱中运送出来造成一大挑战。这项研究结果对超精细反氢原子研究非常有前景,特别是光谱特性。在反氢原子中其测量将允许对物质/反物质对称性最敏感的测试,我们期待今年夏天将这个装置重新启动改进。”ASACUSA实验下一步将优化反氢原子束的强度和动能,以更好地了解其量子状态。