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结构与动力学

结构与动力学

首次探查抗氢的内部结构

ALPHA实验
CERN的ALPHA仪器。 (礼貌:雅克·赫尔夫(Jacques Herv)é)

 

反物质原子的第一次光谱学测量是由国际核子研究中心(CERN)从事ALPHA实验的国际物理学家团队进行的。这项工作是了解为什么宇宙包含的物质多于反物质的重要一步。

抗氢-正电子和反质子的原子结合态-于1995年底在欧洲核子研究中心首次产生。在过去的两年中,从事ALPHA实验的物理学家通过成为第一个捕获和储存反氢物质的人,提高了我们对反物质的理解。 -原子的时间足以详细检查它们。研究人员在2010年总共捕获了38个反氢原子约五分之一秒,然后完善了他们的仪器和技术,在2011年捕获了总共309个反氢原子,共捕获了1000个。现在,同一个团队率先展示从而有可能探究抗氢原子的内部结构,从而报告对抗氢光谱的首次尝试性测量。分析反物质的光谱对于了解其结构并准确确定其与普通物质的区别至关重要。

陷阱并保持

说话 physicsworld.com 去年,ALPHA发言人Jeffrey Hangst概述了使用微波检测反氢光谱的计划,现在这正是团队在短短9个月内所做的工作。亨斯特说“说起来容易做起来难”他为整个ALPHA团队及其所取得的成就感到自豪。

使用Penning捕集阱保持抗氢的ALPHA设备经过了重大改进,可以将微波注入到捕集阱中。在今天发表的论文中 性质 ,研究人员描述了他们如何首先以精确的频率将微波照射到被捕获的反氢原子上,从而导致其磁取向发生翻转。自旋翻转使大多数被捕获的反原子逃脱陷阱,因为抗氢的自旋必须相对于磁场指向固定的方向,以便将其保持在陷阱中。

微波中的反物质

“原子就像大理石一样在碗中滚动–它可以’t escape,”在解释被困的反原子时解释了汉斯特。“如果微波正确,微波将导致旋转旋转‘resonant’能源。然后,仿佛大理石就在山顶上,它将滚滚走开–在这种情况下,它会冲入陷阱的墙壁,在那里消灭,” he says. As the antihydrogen annihilates, it leaves a characteristic pattern in the particle detectors surrounding the trap, which provides evidence of the 共鸣 interaction. “这是处理反物质的另一种真正新颖的东西……我们只需一个反氢原子就能做到这一点。仅用一个氢原子是不可能的,因为不会发生ni灭,” explains Hangst.

交叉检查并确认

Hangst解释说,该团队进行了多次交叉检查,并反复检查了其统计信息,进行了六次测量,以确保该方法尽可能准确地工作。实验中使用的控件之一是以错误的频率注入微波-“off-resonance”模式–然后确保没有释放任何抗原子。 Hangst确实指出,在磁阱的范围内操纵反原子的自旋是困难的,自由空间将更有利于环境。不幸的是,由于抗氢是一个中性原子,因此很难合成和存储,并且只能将其保持在静磁阱的范围内。无论遇到什么困难,ALPHA小组都会继续研究对陷阱的磁场不太敏感的各种类型的跃迁。“最终,我们希望探究反物质的结构,以便我们能够准确地测量反物质的磁偶极矩(最基本的特性之一),” Hangst says.

Hangst还指出,去年’捕获抗氢1000 s的成就对于当前实验的成功至关重要。“这就是1000人的陷阱所在。虽然最后我们只需要240个,但至关重要的是要知道我们有1000个,” he says.

用激光看

该小组进行了六个系列的实验,得出的结论是,它已经观察到了被俘获的反物质原子中的量子共振跃迁,并且正朝着能够精确比较氢和反氢光谱的方向发展。这是必不可少的,因为原子与反原子之间的结构差异都可以解释为什么宇宙演化出的物质比反物质多得多。

在接下来的几个月中,Hangst和团队将拆除当前的ALPHA设置,以构建ALPHA 2-一种将包含激光的设备,该设备将使团队能够执行精密激光光谱学。这样做是为了查看反氢系统中的其他能级,例如反质子周围的正电子的轨道能。研究人员打算在今年5月开始调试并开始运行ALPHA 2,然后开始完善设备的漫长过程。

就目前而言,这种对反物质光谱的早期测量是“欧洲核子研究组织反物质实验背后的全部想法”,据Hangst称。“这是历史性的发现……我们现在知道,我们可以继续寻找更好,更准确的价值,” he says.

ALPHA团队与来自七个国家的成员分享了 物理世界 2010年因捕获氢而获得年度突破奖。

该作品发表在 性质 .

©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者