欧洲核子研究中心科学家首次成功将反物质激光冷却

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作为欧洲核研究中心与阿尔法合作的关键成员,斯旺西大学的物理学家首次演示了激光冷却反氢原子的过程。这一突破导致了比以往任何时候都更冷的反物质,并实现了一种新的实验,这有助于科学家在未来更多地了解反物质。

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2021年3月31日发表在《自然》杂志上的一篇论文说,当原子散射紫外线激光束的光时,被困在磁性瓶子里的反氢原子的温度会降低,从而减慢原子的速度,减少它们在瓶子里占据的空间。这两个方面是今后深入研究反物质性质的重要方面。

除了表明反氢原子的能量减少外,物理学家还发现冷原子吸收或发射的光的波长范围变窄,因此光谱线(或色带)由于运动减少而变窄。后一种效应值得特别注意,因为它将使光谱测定更加准确,并揭示反氢原子的内部结构。

反物质是粒子物理中最成功的量子力学模型的重要组成部分。近一个世纪前,随着带正电的正电子的发现,实验室里出现了与带负电的电子相对应的反物质。当物质和反物质结合时,就会发生湮灭,这是一种惊人的效果,原始粒子在其中消失。湮灭现象可以在实验室观察到,甚至可以用于正电子发射断层扫描(PET)等医学诊断技术。然而,反物质带来了一个问题,即在大爆炸中形成了同样数量的反物质和物质,但这种对称性在今天并没有被保留下来,因为反物质似乎在可见宇宙中几乎不存在。

负责这项实验的斯旺西大学的尼尔斯·马德森教授说因为周围没有反氢,我们必须在欧洲核子研究中心实验室制造。现在我们还可以用激光冷却反氢,并在一天内进行非常精确的光谱测量,这是一项伟大的壮举。就在两年前,仅仅测量光谱就花了十个星期。我们的目标是研究反氢的性质是否符合对称性所预期的普通氢的性质。不管差别有多小,它都有助于解释围绕反物质的一些深层次问题。”

负责这项研究的光谱激光器的埃里克森教授说这一惊人的结果将反氢的研究提高到了一个新的水平,因为激光冷却带来的精度提高使我们可以与正常物质的实验竞争。这是一个非常高的要求,因为我们与之比较的氢的光谱已经被测量到了惊人的15位精度。我们已经在升级我们的实验以迎接挑战!”

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