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反物质的新发现可能颠覆现有物理学定律

在今天发表在杂志上的一篇论文中自然,阿尔法合作报告说,它实际上已经把反物质带到了一个新的水平。研究人员首次在反物质氢原子中观察到了Lyman-α电子跃迁。这一发现紧跟着最近的测量结果而来。另一个电子跃迁并证明阿尔法正在快速、稳定地为精确实验铺平道路,这些实验可以揭示物质和反物质行为之间尚未看到的差异。

莱曼-α(或1s-2P)跃迁是物理学家西奥多·莱曼(Theodore Lyman)在一个多世纪前在氢原子中发现的莱曼电子跃迁系列中的几个跃迁之一。当电子从最低能量(1s)跃迁到高能(2P)水平,然后通过发射波长为121.6纳米的光子回到1s水平时,这种转变就会发生。

这是一种特殊的过渡。在天文学中,研究人员可以探测位于星系和宇宙模型之间的介质的状态。在反物质研究中,它可以精确测量反氢对光和重力的反应。如果发现反物质和物质之间的任何细微差别,就会动摇反物质的基础。粒子物理标准模型也许可以解释宇宙为什么几乎完全由物质组成,即使在大爆炸中应该产生同样数量的反物质。

阿尔法小组利用CERN的反质子制造反氢原子反质子加速器(广告)并与来自钠-22源的正电子结合。然后,它将产生的反氢原子限制在一个磁阱中,从而防止它们与物质接触并湮灭。然后,激光照射到被困原子上,测量它们的光谱响应。测量包括使用一定范围的激光频率和计数由于激光和被困原子之间的相互作用而从陷阱中脱落的原子数。

Alpha协作以前使用过这种技术来测量所谓的1S-2S过渡时期。使用同样的方法和121.6纳米左右的一系列激光波长,阿尔法现在已经检测到了反氢的莱曼-阿尔法跃迁,并精确地测量了它的频率,用一亿分之几个部分进行了测量,与氢的等效跃迁得到了很好的同步。

这一精确度并不像氢的精度那么高,但这一发现代表了一个关键的技术步骤,即利用莱曼-阿尔法转变来冷却大样本的反氢,这一技术被称为激光冷却技术。这些样品将使研究人员能够将反氢和其他反氢测量的精度提高到可能出现反氢和氢行为差异的水平。

阿尔法实验的发言人杰弗里·汉斯特(JeffreyHangst)说:“我们对这一结果感到非常兴奋。”“莱曼-阿尔法跃迁是出了名的很难探测-即使是在‘正常’氢。但是,利用我们的能力,捕获和持有大量反氢原子数小时,并使用脉冲源的莱曼-阿尔法激光,我们能够观察到这种转变。接下来是激光冷却,这将改变精密光谱学和重力测量的游戏规则。

阿尔法合作组织报告了有史以来最精确的反物质直接测量,以前所未有的颜色揭示了反氢原子的光谱结构。结果,今天发表在自然,是欧洲核子研究与研究中心三十年研究和发展的高潮,开启了物质和反物质之间高精度测试的全新时代。

谦逊的氢原子,由围绕单个质子运行的单个电子组成,是基础物理学中的巨人,支撑着现代原子的图景。它的光谱特征是众所周知的某些波长的谱线,对应于当电子在不同轨道间跳跃时,某一频率或颜色的光子的发射。氢谱的测量结果与理论上的预测相一致,在四万分之一(10)的几个部分的水平上,氢谱的测量与理论预测一致。15反物质研究人员长期以来一直寻求与反氢相匹配,这是一项惊人的成就。

将这些测量结果与由正电子绕轨道运行的反质子组成的反氢原子的测量值进行比较,测试一种称为电荷宇称时间(CPT)的基本对称性。如果发现两者之间的任何细微差别,就会动摇粒子物理标准模型也许可以解释宇宙为什么几乎完全是由物质组成的,尽管在大爆炸中应该产生同样数量的反物质。然而,到目前为止,几乎不可能产生和捕获足够数量的精细反氢原子,并获得必要的光学询问技术,从而使严肃的反氢光谱学成为可能。

阿尔法小组利用CERN的反质子制造反氢原子反质子加速器(广告)并与来自钠-22源的正电子结合。接下来,它将产生的反氢原子限制在一个磁阱中,从而防止它们与物质接触并湮灭。然后将激光照射到俘获的反氢原子上,测量它们的响应,并与氢的响应进行比较。

阿尔法小组使用这种方法测量了反氢的最低能量态和第一激发态(所谓的1s到2S跃迁)之间的电子跃迁频率,精确到100亿个部分,与氢的等效跃迁有很好的一致性。测量涉及到两个激光频率-一个匹配氢中1S-2S跃迁的频率,另一个是“失谐”的频率,并计算由于激光和被捕获原子之间的相互作用而从陷阱中脱落的原子数。

阿尔法的最新结果将反氢光谱带到了下一个水平,使用的不仅仅是一个,而是几个失谐激光频率,其频率略低于氢气中的1S-2S跃迁频率,而且比1S-2S跃迁频率略高。这使得研究小组能够测量1S-2S反氢跃迁的光谱形状或颜色分布,并能更精确地测量其频率。这种形状与氢的预期非常吻合,阿尔法能够确定1s-2S反氢转变频率,精确到一万亿的几个部分-比2016年的测量值高出100倍。

阿尔法实验发言人杰弗里·汉斯特(JeffreyHangst)解释说:“在最新的研究中取得的精确性是我们的最终成就。”“30年来,我们一直在努力实现这一目标,并最终做到了这一点。”

虽然精度仍不及普通氢,但阿尔法所取得的快速进展表明,反氢类氢的精确性-因此,对CPT对称性的前所未有的测试-现在已经可以达到。“这是真正的反物质激光光谱学,物质界会注意到这一点,”Hangst补充道。“我们正在实现CERN的AD设施的全部承诺;这是一个范式的改变。”

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