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ALPHA研究小组首次观察到了反物质的光谱

2016-12-22 09:26
吃瓜天狼
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在今天发表于《自然》杂志的一篇论文中,位于日内瓦的欧洲核子研究中心的ALPHA研究小组报道其首次测量的一个反物质原子的光谱。这一技术的成就性的进步,为高精度的反物质的研究开辟了一个崭新的时代。它的结果是欧洲核子研究中心反物质委员会这超过20年的工作的结果。

“用激光来观察一个转换中的反氢和氢原子是否服从相同的物理定律,一直是反物质研究的一个重要目标。”Jeffrey Hangst说,他是ALPHA合作小组的代言人。

原子由围绕原子核的电子组成.。当电子从一个轨道移动到另一个轨道时,它们会吸收或发射特定波长的光,形成原子的光谱。每个元素都有一个独特的光谱。因此,光谱学在物理学、天文学和化学的许多领域都是一种常用的工具。它有助于表征原子和分子及其内部状态。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成分。

氢的组成是单质子和单电子的,在宇宙中是最丰富、最简单、最了解的原子。它的光谱已被测量到非常高的精度。而在另一方面,我们对反氢原子的了解知之甚少。因为宇宙似乎完全是由物质的成分,反氢原子即反质子和正电子,在能够实现反氢原子光谱的测量之前不得不产生和组装成原子。这是一个很艰难的过程,但自从可以在氢和反氢原子光谱之间的任何可差异进行测量以来,这种努力就是值得的,这将打破物理学的基本原理,且可能有助于了解物质与反物质失衡的宇宙之谜。

今天ALPHA研究小组的这一结果是对反氢原子光谱谱线的第一观察,实现物质和反物质光谱的首次对比。在实验范围内,结果表明,氢原子的等效光谱线并没有差异。这是粒子物理学的标准模型的一致性,这一理论最能描述粒子对以及它们之间的力的情况,这预测了,氢和反氢应该有相同的光谱特性。

ALPHA合作小组预计将在未来有望提高其测量精度。高精度测量反氢原子光谱将为测试物质是否表现出不同于反物质的特性提供了一个非凡的新工具,从而可以用以进一步检验标准模型的鲁棒性。

ALPHA是利用欧洲核子研究中心的反质子减速器设备进行的一个独特的实验,该设备能够产生反氢原子,并会放置在一个专门设计的磁阱中,并可实现原子一定时间内的操纵。俘获的反氢原子可以允许研究人员利用激光或其他辐射源进行研究。

“移动和捕获反质子或正电子是容易的,因为他们是带电粒子,”Hangst说。“但当换成是中性的反氢原子时,这中捕获陷阱就要困难得多,所以我们设计了一个非常特殊的磁阱,所依靠的就是反氢原子的一点点磁性。”

反氢原子是由来自带正电子的反质子减速器的约90000个反质子等离子体的混合体制造出来,每次实验尝试都会制造约25000个反氢原子。当制作出的某个反氢原子移动很慢的时候它就会被捕获。

使用一种新的技术,其中来自两个连续的混合周期会产生栈反原子,相比于早期的每个陷阱1.2个反原子的方法,这种新方法制作的陷阱平均捕获14反原子。通过利用具有精确调谐频率的激光束照射原子,科学家可以观察反氢原子的内部状态与光束的相互作用。测量是通过观察所谓1S-2S过渡完成。氢原子的基态持续时间很长,这导致一个很狭窄的自然线宽,所以特别适合于精密测量。

目前的结果,随着达到了由慢反质子实现的原子光谱和碰撞实验建立的电子和反质子质量比以及BASE合作组织确定的荷质比的极限,这表明在欧洲核子研究中心的反物质的基本对称性测试的迅速成熟。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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