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激光技术的突破让科学家在冷却反物质的道路上更进一步
作者:     日期:2018年11月04日     

在不列颠哥伦比亚大学建设的钛-蓝宝石激光发生器(图源:不列颠哥伦比亚大学)

来自欧洲核子研究组织的物理学家们首次观测到了反氢中的基准原子能级跃迁,这是科学家们向着冷却和操纵基本形式的反物质的目标迈出的重要一步。

“在常规的氢原子中,莱曼-α跃迁是最基础、最重要的电子跃迁。在反氢中捕捉到同样的现象,这为关于反物质的科学打开了新时代的大门。”不列颠哥伦比亚大学的化学家、物理学家隆正百瀬说道。她牵头研发了用于操纵反氢的激光系统。

“作为冷却反氢的途径,这个方法可以让我们的测量精度大大提升,同时也让我们可以检测反物质和重力的相互作用——这至今还是个未解之谜。”

这项成果在今天发布于Nature杂志。

众所周知,当反物质和物质相遇时便会湮灭,因而它们非常难以捕捉或者研究。但是,对于反物质的研究将是揭开一大宇宙奥秘的关键:从宇宙大爆炸之初开始,反物质存在的量就理应与物质相等,可是,它们为什么消失殆尽了呢?

欧洲核子研究组织ALPHA反氢研究团队的加拿大发言人、加拿大TRIUMF粒子加速器的物理学家真琴藤原表示,“这项发现使得我们离物理学中几个重大问题的答案更为接近。在过去的几十年里,科学家们通过光学操控和激光冷却给原子物理领域带来了革新。有了这些成果,我们就可以开始用同样的工具来解释反物质的谜团。”

反氢原子是氢原子所对应的反物质,由一个反质子和一个正电子构成,而后者则包含一个质子和一个绕转的电子。

莱曼-α跃迁是一百多年前在氢原子中被发现的。当一系列紫外线被辐射出来的时候,氢原子的电子被激发,从较低的轨道向较高的轨道跃迁,莱曼-α跃迁便被观测到了。隆正百瀬,真琴藤原,他们的加拿大同事以及欧洲核子研究组织的ALPHA合作组通过仅有几纳秒的激光脉冲,在几百个被磁场束缚在真空中的反氢原子上实现了同样的跃迁。

将大量反氢原子束缚足够长的时间来进行研究本身就是一项十分现实的挑战了。除此之外精确地校准激光系统的各个组件也需要好几年的时间。

“其实你根本没办法看到用来激发反氢,触发跃迁的激光脉冲” 隆正百瀬说道,“所以,我们的团队实际上是蒙着眼睛发射这些激光!”

这个研究团队接下来的目标是通过激光技术的进步来制造低温高密度的反原子样本,它们将用于精确的光谱学和重力测量。

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