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CERN首次产生出反物质束流 | 环球科技观光团主题站 | 果壳网 科技有意思

2014-02-07

CERN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

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。

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?

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。

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。

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。

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。

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。

“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。”

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。

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。

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

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