轉(zhuǎn)自旋所需的微波輻射頻率,可直接測量反氫原子兩種超精細狀態(tài)之間的能量差異。 上部,截面示意圖是反氫激光物理實驗儀器的反物質(zhì)陷阱,顯示的是超導(dǎo)八極磁鐵(octupole magnet)和鏡像磁鐵以及其他功能組件。下部是陷阱內(nèi)的磁場強度地圖。實驗?zāi)繕耸菧y量反氫原子的超精細結(jié)構(gòu),就在陷阱中心,這里的磁場強度最小。 日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心(CERN)的反氫激光物理實驗儀器(ALPHA :Antihydrogen Laser Physics Apparatus)合作取得了另一項革命性突破,就是在反物質(zhì)前沿,有史以來第一次用光譜測量反氫原子的內(nèi)部狀態(tài)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在即將出版的一期《自然》雜志上,題為《共振量子轉(zhuǎn)移的受陷反氫原子》(Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms),3月7日在網(wǎng)上發(fā)表。/ m; W% _; Q' g9 P) q% t4 }# }
普通的氫原子是宇宙中最豐富的,也是最簡單的,它是如此簡單,事實上,一些最根本的物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn),就是因為測量微小的能量轉(zhuǎn)移,這種能量轉(zhuǎn)移來自氫質(zhì)子核與單軌道電子之間的磁場和電場相互作用。
Q4 t, D3 d0 u4 X* k @; g& z另一方面,反氫原子是罕見的,它是單軌道正電子(反電子)圍繞單一反質(zhì)子旋轉(zhuǎn),難以制作,更難以保存。事實上,反氫原子以前從未被捕捉到,直到2010年,反氫激光物理實驗儀器才成功地捕捉到。- O* W6 L8 K8 e4 \/ D# A n
在最近的一系列試驗中,反氫激光物理實驗儀器研究人員創(chuàng)造和捕獲到數(shù)百個反氫原子,保存在磁瓶內(nèi),然后研究它們的內(nèi)部狀態(tài),這需要用微波輻射照射它們,翻轉(zhuǎn)正電子的自旋,使原子瞬間彈出磁陷阱(magnetic trap),并使它們在陷阱壁上湮滅。
2 ^, p: ?+ c: \4 c$ q* N當然,電子和正電子都并不是真的自旋。“自旋”這一名稱是指一些粒子的內(nèi)部量子狀態(tài),只有兩個值,就是向上和向下。在氫原子中,電子和質(zhì)子自旋態(tài)的相互作用,會撕裂基態(tài),就是原子的最低能量,這被稱為超精細分裂(hyperfine splitting);在天文學(xué)中,超精細分裂是21厘米氫射線特征徑跡(signature 21-centimeter emission line of hydrogen)的來源。
/ S4 f+ d$ O$ u3 _% F反氫原子應(yīng)具有同樣的屬性,翻轉(zhuǎn)自旋所需的微波輻射頻率,可直接測量反氫原子兩種超精細狀態(tài)之間的能量差異。
5 O; d3 f+ T) K9 ^" _“要測量反氫原子的超精細結(jié)構(gòu),我們就要調(diào)整微波頻率,”喬納森•吳泰爾(Jonathan Wurtele)說,他是加速器和聚變研究部(AFRD:Accelerator and Fusion Research Division)的成員,屬于美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory),也叫伯克利實驗室,他也是加州大學(xué)伯克利分校(University of California at Berkeley)物理學(xué)教授,是反氫激光物理實驗儀器合作組織長期成員。截至目前,測量是不精確的,因為能量差異的大小取決于磁場的大小,就是指反氫激光物理實驗儀器中反氫原子阱中的磁場,但是,吳泰爾說,“我們的最新實驗儀器正在制造中,而這些初步實驗表明,我們'很快就會有技術(shù),進行精確的測量。”
9 f& v' W7 Y7 y% }7 P; d" l7 {如何捕捉反原子 伯克利實驗室的科學(xué)家們起到了關(guān)鍵作用,他們設(shè)計和模擬了反氫激光物理實驗儀器的最低磁場陷阱(Minimum Magnetic Field Trap),這是一種磁瓶,創(chuàng)造它需要超導(dǎo)磁體,磁體的磁場可以捕捉和保存反氫原子。盡管是電中性的,但是,分離反原子中帶負電荷的反質(zhì)子和帶正電的正電子,還有它們的自旋,就會使它們有一個磁矩。因此,只要它們的運動不是太快 ,就很容易被陷阱的磁場捕捉。0 c4 e+ I/ r# _
研究反物質(zhì)的一個好處是,很容易研究單個原子,普通的氫就不是這樣的情況。喬爾•法建安(Joel Fajans)是反氫激光物理實驗儀器的創(chuàng)始成員,也是加速器和聚變研究部的成員,還是加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授,他解釋說,如果想要用類似的陷阱捕獲普通氫原子,“這些陷阱的真空管中總是殘留著氫,這樣,怎么才能分開刻意捕捉的氫與背景中的氫?”
4 X; d2 q- a' W# W( c但是,法建安說:“捕獲反氫原子不能靠碰運氣;它就是不會自然出現(xiàn)。”就像所有形式的反物質(zhì)一樣,反氫原子不能與正常物質(zhì)共同存在,因為物質(zhì)和反物質(zhì)會相互湮滅,爆發(fā)出一陣能量,只要它們一接觸就會這樣。5 N# q4 o! T, h- I9 _+ n! b
反氫原子實驗的缺點包括,在插入實驗探針時,不能干擾陷阱中精美平衡的磁場。在過去幾個月中,反氫激光物理實驗儀器研究人員已經(jīng)能夠改進實驗,把微波輻射引入陷阱的內(nèi)部。在他們的實驗中,他們使用了兩種不同的方法收集數(shù)據(jù),一種方法被稱為消失法(disappearance method),另一種稱為出現(xiàn)法(appearance method)。
: r& m" l- q. ]# }“消失法”依靠建立平均數(shù)量的反原子,這些反原子在一次操作中被捕捉,需要突然切斷陷阱內(nèi)的超導(dǎo)磁鐵電源,統(tǒng)計反原子數(shù)量,因為它們會湮滅在實驗中的普通物質(zhì)壁上,時間只有3萬分子一秒,就是磁鐵斷電的時間。在這些試驗中,微波開啟時采用所謂的共振頻率,根據(jù)計算,這種頻率可以翻轉(zhuǎn)正電子的自旋;在其他試驗中,微波開啟,但不在共振頻率;還有一些試驗,微波完全不開啟。
s Q" }$ w1 C* P2 z, y比較結(jié)果表明,共振頻率測試中,反原子能夠存活的,遠遠少于其他兩種情況,這就證實,這確實是正確的頻率,可以翻轉(zhuǎn)它們的自旋,并彈出原子。
% R$ c6 Z6 ^7 \“出現(xiàn)法”測試更直接,反原子捕捉在陷阱中可長達三分鐘,研究人員計算的每個湮滅,都是因為微波翻轉(zhuǎn)自旋,而反原子逃出陷阱。
0 {$ ?5 s: {! ?4 N! w/ e6 l“一個問題是,有時,反氫原子湮滅可以模仿宇宙射線,”法建安說。“協(xié)作小組中,博士后西蒙娜•斯特拉卡(Simone Straka)研究我們的計數(shù)算法,這會犧牲一些性能,以檢測到所有的湮滅,它看起來應(yīng)像一次完美的反氫原子湮滅,否則就不被計入,這就提高了10倍的精度,使我們知道,我們并沒有被宇宙射線所迷惑。然后,我們會開啟微波,翻轉(zhuǎn)自旋,繼續(xù)觀察湮滅。”
% w% C5 T, w% t" b) m: b仍然存在較大的不確定性。理想的情況下,受影響的反原子處于陷阱正中心,那里磁場最小。但是,在離開最低處的每一個方向,磁場都會增加,而磁鐵的電流還不完全清楚。磁場強度影響共振頻率,因此,研究人員必須找到一些方法,在每個反原子翻轉(zhuǎn)的地方,精準測量磁場強度。# p: H8 O3 Q+ C$ ~
其他方法包括測量反氫原子光譜的能量變化,這更微妙,和更難以察覺,但不會受磁場影響。 法建安和吳泰爾也期待改進反氫激光物理實驗儀器,使被困的反原子在探測時,可以不用微波,而用激光束,法建安說,這“使我們能夠測量反氫原子的能級,我們會有效地看到反氫原子發(fā)光是什么顏色。”激光器也可以操縱單個原子,而且具有特殊的方式,比如可以冷卻它們,使它們變得幾乎靜止,這就可以更加精確地測量它們的性能。
) i, `2 s. A3 J5 Q物質(zhì)和反物質(zhì)實際上一樣嗎? “我們有充分的理由相信,氫原子和反氫原子是相同的,只是一個是由物質(zhì)組成,另一個是由反物質(zhì)組成。”法建安說。“事實上,CPT(charge conjugation parity, time reversal)實驗堅持認為它們是相同的。但是,如果他們不相同的話,會怎么樣?”
1 j* i! Q& c$ L4 u. K7 vCPT指的是電荷共軛(C:charge conjugation),宇稱(P:parity)和時間反轉(zhuǎn)(T:time reversal),這是事物的一種對稱狀態(tài),其中的物理定律是相同的,在這里的世界,電荷特征翻轉(zhuǎn),左右顛倒,時間向后逆轉(zhuǎn)。5 F# ], \ D* m, h0 K! u$ Z
超精細能級:圖中對比磁場中氫原子和反氫原子基態(tài)的相對超精細能級,來源:歐洲核子物理研究中心 i7 C) u) k) S' ~) l
曾分別觀察到違反電荷共軛和宇稱的現(xiàn)象,但是,考慮到時間方向可逆,三者合計的對稱性似乎就可以維持。CPT鏡像世界遠遠不是普通現(xiàn)實的完美反射,但是,也許更像游樂園大廳里的一面鏡子,因為反氫原子光譜不同于普通氫原子光譜。% w/ P0 C) i Y" e3 W
如果反氫原子光譜不同于普通的氫,那影響范圍就會從微乎其微的地方擴大到整個宇宙。“如果我們確實發(fā)現(xiàn)差異,”吳泰爾說,“人們會感到震驚,但我們永遠不會發(fā)現(xiàn),除非我們進行測量。”
0 @- [1 ]* J! N( E! j5 ^' i在宇宙中,為什么有這么多的普通物質(zhì),而只有這么少的反物質(zhì),長期以來,這個謎團一直在考驗使理論家,同樣也在考驗實驗人員。至少可以想象,部分答案就在于反氫原子光譜。如果是這樣,那反氫原子物理實驗一起合作研究就很對路,正在找到它。
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