CERN首次产生出反物质束流,6个国际团队争相回答

2019-12-11 06:58栏目:奥门新萄京娱乐场
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图片 1CERN的ASACUSA实验装置,首次成功产生出了反氢原子束流。图片来源:CERN

揭开反物质之谜的竞赛 6个国际团队争相回答宇宙最深处的问题

射出一束反物质束流,听起来像是科幻电影里的反派科学怪人才干得出来的事情。如今,这样的壮举已经被欧洲核子研究中心(CERN)的科学家实现了。他们制造反物质束流,可不是为了占领地球统制全人类,而是为了进一步探索新物理学,试图回答一个源自宇宙创生之初的大问题。

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1月21日,CERN的ASACUSA实验团队在《自然通讯》(Nature Communications)上发文宣布,他们首次成功产生出了反氢原子束流。他们在论文中报告说,明确检测到了一束由80个反氢原子构成的、长达2.7米的反物质束流。取得这一成就的科学家说,这束反物质束流或许能够帮助他们破解更深的物理学谜题:为什么我们周围的宇宙中物质随处可见,却找不到些许反物质?

欧洲核子研究中心一个实验室拥有唯一的反质子—质子的反物质配对物。 来源。 图片来源:Maximilien Brice/CERN

从理论上讲,在我们所知的宇宙创生的那一刻,宇宙大爆炸创造出来的物质和反物质,应该是等量的。但是,任何看过《星球大战》的人都会知道,物质和反物质一旦相遇,就会立即湮灭,除了一团能量,什么都不会剩下。然而,如今我们所处的宇宙完全被物质占据,反物质几乎踪迹全无。这到底是为什么呢?物理学家推测,这必定是因为物质和反物质之间,存在某种微妙的差异。

在欧洲核子研究中心一个天花板极高的库房内,6个竞争性的实验正在争先恐后地赛跑,以了解宇宙中最难琢磨的一种物质的特征。这些实验相隔仅数米,从所处位置看,它们几乎堆叠在一起,每个设备与另一个设备泛出的金属光泽像购物中心的电梯一样纵横交错,其数吨重的混凝土支架有些可怕地悬在头定。

此前的粒子对撞实验已经为这种差异提供了少量线索,但物理学家还是希望能够真正去研究反物质原子,从而一举解决这一谜题。迄今为止,原始的反物质还从未在宇宙中被观测到过。不过,将CERN反质子减速器(Antiproton Decelerator)产生的低能反质子,与反电子(即正电子)混合,有可能在实验装置中产生出相当数量的反氢原子。

“我们经常会提醒对方。”物理学家、带领AEGIS(一项旨在成为首个发现反物质如何对引力做出回应的实验)项目的Michael Doser说。

理论预言,反氢原子和氢原子的光谱应该是完全一样的。如果能够在两者之间找到任何细微差异,就将立即开启一扇通向新物理学的大门,也可能有助于解决反物质之谜。氢原子由单个质子和一个电子构成,是宇宙中存在的最简单原子,也是被研究得最精确、在现代物理学中被了解得最透彻的微观体系之一。因此,比对氢原子与反氢原子,也就成了高精度检验物质/反物质对称的最佳方式之一。

Doser除了让自己感到舒适外没有别的选择。CERN,瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室,因拥有世界上唯一的反质子源(除电荷和自旋之外各个方面均与质子相似的粒子)而自豪。该实验室的反质子探测器是一个182米长的环形设备,其粒子与该实验室中规模更大、更有名气的“兄弟”设备大型强子对撞机一样,均来源于同一个加速器。反质子以接近光的速度进入该设备,探测器将粒子速度减缓下来,提供一系列反质子流,各项实验然后轮流地“啜”一小口。所有这些都必须非常小心,因为在遇到物质之后,这些反粒子只需要一丁点能量就会消失。

问题在于,以往产生出来的反物质原子很难存在足够长的时间,我们没有机会对它们进行精细的测量。物质和反物质只要相遇,就会立即湮灭。因此,除了创造出反氢原子以外,物理学家面临的另一项关键挑战就是,让反原子远离普通物质。

数十年来,科学家一直在致力于确定反质子和反氢原子,使它们形成足够长的时间从而进行研究。过去几年,相关研究迅速发展。实验专家现在可以控制足够多的反粒子开始认真地探索反物质——物质的罕见镜像效应,并进行越来越精确的对其基本特征和内部结构的测量。带领ALPHA实验的Jeffrey Hangst说,至少在原理上,他的团队现在已经可以用反氢原子做任何用氢原子可以做的事情。“对我来说,这个阶段是我25年来一直攻克的目标。”他说。

为了做到这一点,实验装置利用了反氢原子的磁属性(与氢原子类似),采用超强的非均匀磁场来约束反原子,将它们束缚足够长的时间加以研究。然而,强大的磁场(确切地说,是磁场的梯度)又会破坏反物质原子的光谱特性。为了获得纯净的高分辨光谱,ASACUSA团队开发了一套前所未有的装置,将反氢原子移到远离强磁场的区域,以便在它们飞行的途中细致地研究它们。

CERN实验项目的数十名物理学家知道,他们依然面临严峻的挑战:反物质研究极为艰巨,各团队之间的竞争非常激烈,且发现任何新事物的几率似乎很低。但CERN的反物质研究人员依然被打开宇宙新窗口的激动之情所鼓舞。

“反氢原子不带电荷,将它们移出约束阱是一项艰巨的挑战,”日本理化学研究所的山崎泰规(Yasunori Yamazaki)说,他也是ASACUSA团队的负责人之一。“对于反氢原子的高精度研究,特别是超精细结构研究来说,我们的结果给出了极好的前景。超精细结构是氢原子光谱中被了解得最为透彻的两个特性之一。测量反氢原子的这一特性,将为物质/反物质对称提供最为灵敏的检验。”

反物质物理学的根源可被追溯到1928年,当时英国物理学家Paul Dirac写了一个方程式,描述了一个电子以接近光速运行。Dirac意识到,他的方程式应该有一正一负两个解。随后,他把这个数学模型解释为表明存在一种反电子,现在被称为反质子,并在理论上总结出每种粒子都存在反物质对等物。

ASACUSA实验的下一步,将是优化反氢原子束流的强度和动能,进一步了解它们所处的量子态。山崎泰规透露,今年夏天他们将利用改进过的装置,重启这项实验。

实验物理学家Carl Anderson在1932年确认了反质子的存在,当时他发现一个类似电子的粒子,不过当其经过磁场时轨迹却向相反的方向弯曲。物理学家很快认识到,反质子通常以碰撞方式产生:撞击的粒子拥有足够的能量,其中的一些能量能够转变为物质—反物质对。

PS:单个氢原子的质量约为1.67×10-27千克。根据爱因斯坦的质量能方程E = mc2,这束由80个反氢原子构成的束流如果全部湮灭成能量的话,将释放出2.4×10-8焦耳的能量——大概相当于10粒米以每秒1厘米的速度撞到你身上所释放的动能。所以,我们暂时还不必担心《星球大战》中能够毁天灭地的反物质炸弹会成为现实。

到20世纪50年代,研究人员开始探索这种能量—粒子转变,以形成反质子。反物质猎人需要一种能够大规模减缓或冷却这种粒子的方式。CERN在1982年首次致力于用低能反质子环进行减速和储存反物质的尝试。1995年,在LEAR计划关停的前一年,一个团队利用来自该设备的反质子生成了首个反氢原子。

消息来源:CERN官网,Antimatter experiment produces first beam of antihydrogen

CERN的反物质研究最终将会有来自反质子和离子研究设施的竞争,例如位于德国达姆施塔特国际加速中心的一个价值11.6亿美元的国际加速器组合将在2025年左右竣工。但目前,CERN垄断了生产速度足够慢的可被用于研究的反质子。

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