6个国际团队争相回答宇宙最深处的问题,反氢激

2019-08-17 03:46栏目:奥门新萄京娱乐场
TAG:

原标题:反氢激光揭示反物质的新奥秘

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

网易科技讯8月29日消息,瑞士欧洲核子研究组织(CERN)实验室的一项创新激光实验让物理学家更进一步了解到神秘的反物质。

图片 1

反物质粒子具有与正常物质粒子相反的电荷。 当物质和反物质的粒子相遇时,它们会相互湮灭。 然而,有趣的是,反物质的行为却是类似于普通物质的。

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

在一项新研究中,欧洲核子研究组织的研究人员研究了反氢原子,以更深入地了解物质和反物质之间的差异。

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。

由反质子和正电子(电子的反物质对应物)组成的反氢原子是氢原子的反物质形式。根据欧洲核子研究中心的一份声明,研究人员使用欧洲核子研究中心的ALPHA(反氢激光物理仪器)仪器的反质子减速器,将反质子与正电子结合形成反氢原子。

“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。

然后,研究人员在真空中捕获了数百个反氢原子,并使用激光脉冲激发原子,促使它们跳入更高的能量状态。测量这种变化,称为Lyman-alpha转换(Lyman-alpha transition),这是一种常用于天文学研究暗能量的方法。暗能量是看不见但在宇宙中存量极大的的力量,占宇宙总能量的68%左右。

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。

当反氢原子回落到较低能态时,它们会释放出光子。根据8月22日发表在《自然》杂志上的研究,研究人员测量了这些光子,发现这些光子显示反氢排放与正常氢原子的相同。

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。

该实验的首席研究员,英属哥伦比亚大学的物理学家Takamasa Momose说道:“Lyman-alpha转换是常规氢原子中最基本,最重要的转换,而在反氢中捕获相同的转换现象则开辟了反物质科学的新时代!”

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。

虽然这项研究没有揭示物质和反物质的性质差异,但这项工作仍然有用:研究人员计划用这种方法来冷却反氢。这将极大地提高反物质实验的测量精度。另外,研究人员也计划使用这种方法来测试反物质和重力之间如何相互作用。

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。

CERN ALPHA反氢研究合作的发言人Makoto Fujiwara在声明中说:“这让我们向解答物理学中的一些重要问题又迈进了一步。在过去的几十年里,科学家们已经能够利用光学技术和激光冷却技术彻底改变原子物理学。有了CERN的这一发现,我们可以开始应用相同的工具来探测反物质的奥秘了!”

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。

(马克克)返回搜狐,查看更多

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。

责任编辑:

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。

版权声明:本文由奥门新萄京娱乐场发布于奥门新萄京娱乐场,转载请注明出处:6个国际团队争相回答宇宙最深处的问题,反氢激