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研究者用激光轰击反氢原子:光谱与氢原子并无区别|氢原子|反物质|激光

时间:2017年01月12日 来源:新浪新闻

原标题:研究者用激光轰击反氢原子:光谱与氢原子并无区别|氢原子|反物质|激光

   艺术想象图:被隔离起来的反氢原子。在“陷阱”中游荡了一段时间之后,反氢原子会被释放出来,用激光进行轰击,产生能够被附近探测器追踪的信号。  艺术想象图:被隔离起来的反氢原子。在“陷阱”中游荡了一段时间之后,反氢原子会被释放出来,用激光进行轰击,产生能够被附近探测器追踪的信号。

  新浪科技讯 北京时间1月12日消息,据国外媒体报道,物质与反物质之间的极端不平衡是宇宙中最令人困惑的谜题之一。它们都是在大爆炸期间产生,但如今占统治地位的却是普通物质,其中缘由我们不得而知。要解决这一谜题,最显而易见的方法便是观察反物质本身。如果科学家能够发现反物质的行为有某种不同,或许就能找到解释这种极端不平衡的线索。

  为此,一个研究团队决定对氢原子和反氢原子是否具有相同的光谱——吸收和释放相同波长的光——进行测试。他们首次对一个反氢原子进行了激光光谱分析,但获得的结果却与常规的氢原子惊人的相似。

  捕捉反物质

  反物质具有与普通物质相反的电荷。普通的氢原子由一个质子(正电荷)和一个小得多的电子(负电荷)组成,而反氢原子由一个反质子(负电荷)和一个反电子(又称正电子,带正电)组成。

  当物质与反物质碰撞时,它们会湮灭,只留下高能质子,这也使科学家很难在实验室里研究反物质。实验室中的空气、人和实验仪器都由普通物质组成,只要有几个游荡的原子,就会使你的反原子转瞬间就消失得无影无踪。考虑到制造反物质的成本极其昂贵,这样的情况肯定不能让人满意。于是,研究者想出了一个巧妙的方法:将反物质隔离起来,使其无法碰撞到其他任何东西。利用电场,研究人员将反物质隔离在一个被称为“ALPHA-2”的仪器中,时间大约为10分钟。

  ALPHA是“反氢激光物理仪器”(Antihydrogen Laser Physics Apparatus)的缩写,通过该仪器,研究者终于有了一窥反粒子性质的机会。研究过程中,反物质还被冷冻到了0.5开尔文。这样的冷却是必要的,可以防止单个反原子运动速度过快而逃出“陷阱”。

  激光!

  隔离反原子之后,研究人员开始利用激光对反原子进行探测。当光击中一个原子时,如果光的波长合适,光的能量就会被原子的电子吸收。利用这些额外能量,电子就能跃迁到更高的能级轨道。之后,电子会以光的形式释放出能量,回到原来的轨道。

  研究人员希望对电子释放的这些光进行光谱分析。不同的元素会释放出不同波长的光,但任意两个氢原子都应该产生相同波长的光。而且,根据已知的物理学,反氢原子也应该产生同样的光谱。

  研究人员进行了3组11次试验。前两组中设置了不同的激光,第三组作为对照,没有激光。这样的实验设置可以排除一些突然出现或可能影响结果的系统问题。这些实验还能帮助鉴别出背景中的宇宙射线。当宇宙射线与粒子在大气层上方碰撞时,会产生能进入实验仪器的次级粒子,而这些粒子可能会被误认为是隔离的反氢原子发出的光。

  结果和结论

  实验令人兴奋,但结果却并不激动人心。到目前为止,来自反氢原子的光谱与氢原子的完全吻合,证实了标准模型的部分基本理论。如果实验中出现了不同的光谱,那物理学界可能就得掀起一番波澜了。

  如果能推翻物质和反物质粒子间的基础对称(CPT对称),其意义就不仅是告诉我们标准模型是错的那么简单。在数学上,反物质就相当于逆时间流动的普通物质粒子。这听起来有些科幻小说的意味,但现实却平淡得多;对一个氢原子而言,是不是“逆时间流动”其实并没有太大不同。不过,如果有这样的颠覆性发现,或许就预示着逆转时间的可能性,而这是物理学家十分感兴趣的问题。

  这项研究的另一个动机是认识宇宙中物质与暗物质之间的极端不平衡。如果暗物质能提供不一样的光谱,那就暗示着暗物质与普通物质存在不同的物理特性,而这或许能为该问题的解答提供线索。

  尽管实验结果没有出现上述情况,但研究并不会止步于此。这只是此类研究中的第一次,从许多方面来说,这也可能是一个新时代的开始。“长期以来,这一直被视为低能反物质物理学追求的成就,”研究者在论文中写道,“它标志着一个转折点,从原理验证实验转变为利用反原子的光谱进行认真的计量和精确的CPT对比。”

  研究人员采用的实验方法,包括将更多反原子隔离起来的新方法,都将为未来更深入理解反物质提供帮助,也具有更高的确定性,无论是否有新的东西等待发现。“目前的结果,以及其他近期研究的结果,表明对反物质基础对称性的验证方法正在迅速成熟,”研究者在论文中写道。(任天)

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