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理解世界,氢再建新功!
作者:admin    发布于:2020-07-10 10:32    文字:【 】【 】【
       对氢的研究几乎贯穿整个自然科学历史,例如关于氢原子结构的研究就是量子力学最重要的问题,今天科学图腾就是氢原子模型。对氢原子核的研究直接导致NMR现象,今天我们使用的MRI技术就是检测氢原子激发信号,到今天人类探索太空生命的核心技术仍然使用氢信号。当然氢能源成为未来绿色能源也不是人类拍脑袋出来的想法。现在的自然科学领域,仍然有许多围绕氢的科学研究,一些属于最高端的研究领域,例如最近有一项研究就是利用氢的结构简单,容易分析,来研究宇宙中为什么“反物质不如正物质多”整个疑问。
       现代物理学中最大的谜团之一是,为什么宇宙似乎主要由物质组成,而几乎没有反物质。如果违背了电荷相对时间(CPT)对称性这一自然属性,就可以解释这一观察结果。在CPT对称下,粒子及其反粒子的物理性质是相同的。原则上讲,宇宙大爆炸期间CPT对称性的一个微小的违背可能是宇宙中缺少反粒子的原因。在《自然》杂志上的一篇论文中,阿尔法团队报道了对反氢原子的高精度光谱测量。反氢原子是由一个反质子和一个正电子(电子的反粒子)组成的原子。作者发现,反氢原子的能级之间的差距与之前在普通氢原子2- 4中测量到的能级之间的差距非常吻合,这对潜在的CPT违逆形成了强有力的约束。
       使用单个粒子(如中性粒子、正电子粒子和反质子粒子)对CPT对称进行的测试没有显示出违反CPT的迹象。然而,对反氢的研究可能会探索在以前的试验中没有探索的因素的影响。
       氢是最简单的原子,它的性质可以非常精确地计算出来。一个多世纪以来,对这种原子的研究一直是有关物质结构的突破性想法背后的推动力。氢的光谱在19世纪80年代得到了非常精确的测量,在20世纪10年代才得到定量的解释。在20世纪20年代,原子结构是量子力学公式的核心,也是将该理论推广到相对论(快速运动)粒子的核心。物理学家威利斯·兰姆在1947年意外发现了氢原子的2S和2P1/2激发态之间的能量缺口,这一发现推动了量子电动力学的发展。量子电动力学是描述粒子和光之间相互作用的理论。
       这个能量缺口,被称为兰姆位移,存在于氢和反氢中。它主要来源于量子涨落,粒子-反粒子对在真空中自发地出现,然后立即相互湮灭。然而,它的大小微妙地受到影响,例如,质子或反质子的电荷半径(电荷分布的空间范围)、弱核力,以及可能是宇宙中物质-反物质不对称的来源的目前未知的现象。
       目前的工作是在欧洲粒子物理研究所(CERN)的阿尔法实验中完成的,CERN是位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室。一个叫做反质子减速器的设备将反质子送到这个实验中,其中的放射性钠源提供正电子。每隔几分钟,就有9万个冷反质子和300万个正电子混合在一个复杂的带电粒子阱中。这个过程产生了大约20个冷的反氢原子,然后被限制在由超导磁体制成的中性原子阱中。这些反氢原子可以被储存至少60个小时,并且可以重复生成数百个这样的原子。
       本研究的目的是测量1S基态与反氢的2P1/2和2P3/2激发态之间的能量差异(图1)。ALPHA合作项目使用了一种被称为激光光谱学的方法,其中包括向反氢阱注入激光脉冲。这种注入导致原子从1S态转变到2P1/2或2P3/2态,随后又衰减回1S态。那些最终处于1S态的不同的磁亚态的原子被从磁中性原子阱中驱逐出来。这些反氢原子在与阿尔法装置壁上的普通原子接触后湮灭,产生一种叫做带电粒子的粒子。
       图1反氢原子的最低能态。
       阿尔法团队对氢的反物质进行了高精度光谱测量。具体来说,该团队确定了1S基态与反氢原子的2P1/2和2P3/2激发态之间的能量差异。他们利用这些结果来估计精细结构的分裂(2P1/2-2P3/2的能量缺口)。他们还将之前对1S和2S状态之间的能隙的测定与目前对1S - 2p1 /2能差的测量结合起来,推断出了兰姆位移(2S - 2p1/2能隙)。作者发现所有这些结果都与普通氢的相应结果一致。
       阿尔法合作绘制了观察到的带电粒子的数量作为激光频率的函数。然后他们利用图中两个峰的位置推断出反氢原子的1S-2P1/2和1S-2P3/2的能量差异。这些差异与在普通氢中测量到的十亿分之16的差异是一致的。作者利用他们的研究结果估计了反氢原子的精细结构分裂(2P1/2-2P3/2能量差),不确定度为0.5%。这个值和普通氢的值是一致的。
       在2018年,阿尔法团队测量了反氢原子11的1 / 1012的1 / 2的1S和2S状态之间的能量差距。在目前的工作中,作者将这一结果与他们对1S-2P1/2能量差的测量结合起来,以提供反氢原子中的兰姆位移的估计。该值的不确定度为11%(若采用普通氢的精细结构分裂进行分析,不确定度为3.3%)。
       在过去的几年里,高精度激光光谱反氢原子已经成为可能,阿尔法合作已经取得了惊人的进展。对反氢原子中几个跃迁的研究将使CPT对称性、量子电动力学和粒子物理标准模型的定向测试成为可能。例如,如果兰姆位移的测量不确定度小于104分之一,就可以确定反质子的电荷半径。此外,改进后的反氢中磁性亚态之间的能隙测量将提供有关反质子13的磁性结构的详细信息。
未来,用于光谱分析的激光将通过诱导1S-2P1/2和1S-2P3/2跃迁来冷却反氢原子。这种冷却将大大提高所有反氢光谱实验的可达精度。此外,超冷反氢可以用来研究重力对这些原子的影响。冷的反氢因此带来了很多很酷的结果。
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