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欧核中心首次用激光冷却反物质

或助解释宇宙为何只由物质组成

2021-04-02 科技日报 刘霞
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  据欧洲核子研究中心(CERN)网站3月31日报道,该机构的ALPHA合作组在最新一期《自然》杂志撰文称,研究人员首次用激光冷却技术成功冷却了反氢原子,为更精确测量反氢内部结构及其在引力作用下的行为奠定了基础。

  ALPHA合作组发言人杰弗里·汉斯特表示,将这些测量结果与氢原子比较,可以揭示物质原子和反物质原子之间的差异。这种差异如果存在的话,有助于解释为什么宇宙只由物质组成——所谓的物质—反物质不对称。此外,能用激光冷却反氢原子将改变光谱学和引力测量领域的游戏规则,为反物质研究带来新视角,比如制造出反物质分子等。

  ALPHA合作组从CERN的反质子减速器中提取了反质子,与来自钠-22的正电子结合,制造出了反氢原子,并将其置于磁阱中,防止它们与物质接触而湮灭。

  汉斯特解释说,对反原子开展光谱研究——测量其对电磁辐射(激光或微波)的反应,使他们能以前所未有的精度测量反氢原子从最低能量状态(1S)到更高能量状态(2P)的跃迁,但这种光谱测量以及后续测量反氢原子在地球引力场中行为的精度受到其动能(温度)的限制,而这正是激光冷却大显身手的地方。

  在这一技术中,反原子吸收激光光子,达到更高能量状态,随后又发射光子并自发地衰变回初始状态。因为相互作用取决于反原子的速度,且光子传递动量,这种吸收—发射循环会将反原子冷却到极低温度。

  在本研究中,ALPHA合作组通过使用频率略低于两种状态之间跃迁频率的脉冲激光,反复驱动反氢原子从1S状态到2P状态,对其进行冷却。在照射被捕获反原子数小时后,研究人员观察到原子的中位动能减少了10倍多,许多反氢原子的能量到达1微伏以下(温度比绝对零度高约0.012℃)。

  汉斯特说:“我们演示了反氢原子的激光冷却,这是CERN的反质子减速器多年来反物质研究和发展的一大成果,也是迄今我们做过的最困难的实验。”

打印 责任编辑:阎芳

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