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粒子与相互作用

粒子与相互作用

介子形成一种新的氦气

11 May 2020
激光中离子氦的艺术表现
离子氦 在该实验中,一个介子(此处显示一个橙色和一个蓝色粒子表示其夸克和反夸克)替换了氦原子中的两个电子之一。然后,这个新的亚稳态原子被激光激发(这里以红色显示)以探测其特性。 (礼貌:马克斯·普朗克量子光学研究所/ Thorsten Naeser)

制造包含外来粒子代替电子的人造原子的能力为物理学家提供了一种探索基本相互作用的新方法。现在,研究人员已经创造并审问了一种新型的氦原子,其中一个电子被称为介子的亚原子粒子取代。这项工作可能揭示了介子和中微子的性质-微小的中性粒子,对于它们的某些属性(包括质量)仍然知之甚少。

先前用来制造这些不寻常原子的粒子中有μ子,其质量约为电子的200倍,但具有相同的特性。在2010年 兰道夫·波尔 和同事 马克斯·普朗克量子光学研究所 德国加兴(MPQ)进行了对氢离子的光谱测量。他们使用自己的数据产生了很大的效果, 质子电荷半径的值 这与当时接受的值完全矛盾,并迫使其他小组尝试解决差异。

创建包含介子的原子更加困难。介子是介子,这意味着它们由约束夸克和反夸克组成。当高速发射到密集的目标中时,其中一些会形成原子。但是它们还会产生许多背景粒子,这使得很难挑选出原子。而且,离子原子像离子本身一样,寿命很短,因此很难用激光束激发它们并测量其内部跃迁频率。

长寿命原子

ori正树同样在MPQ的,现在和同事已经通过创建相对较长寿命的离子氦原子克服了这一障碍。在实验中 保罗·谢勒学院 在瑞士,他们使用强烈的质子束在碳靶中产生负离子,然后使离子与超流氦4原子碰撞。

大部分传入的介子直接撞击到氦核中,导致氦在大约皮秒内分裂成质子,中子和氘核(10–12 s)。但是大约有2%的人设法转移了氦的两个电子之一,并进入了围绕原子核的弱束缚轨道。被束缚的介子将该轨道维持几纳秒(10–9 s),因为剩余的电子和非常冷的目标都保护它们免受与其他原子的热碰撞的影响,该目标保持在比绝对零高出几度的位置。

留给它们自己的装置,离子氦原子最终将分裂并产生裂变产物,这些裂变产物可以被位于目标周围的探测器拾取。问题在于,来自这些裂变产物的信号被其余98%的传入介子产生的核子信号所淹没。由于加速器腔体的频率为50 MHz,所以小子每20 ns以脉冲形式到达一次,并且它们在检测器计数中产生大的峰值。相反,亚稳态离子原子的自发衰变产生了无法观察到的平滑背景。

过渡频率测量

这就是激光光谱学的来历。 性质,Hori及其同事将红外激光与介子束同步,以使其发出0.8ns长的光脉冲,大约在每个连续的介子脉冲之间的一半。这导致它们各自原子核中的一些离子下降到较低的轨道,并发射出剩余的电子,它们在撞入原子核之前需要几皮秒的时间。尽管此过程每小时仅比背景每小时产生3个离子原子,但这足以在检测器计数中记录一个显着的峰值。

通过扫描激光束的频率,研究人员确定他们正在研究的跃迁发生在183,760 GHz。他们指出,这种测量的准确性受到与氦原子的多次碰撞的限制,每次碰撞都会稍微改变频率,以及它们使用的宽泛但易于识别的原子共振。他们希望最终能够通过实验为负离子的质量设置一个新的,更准确的值(目前仅知道小数点后六位),并提议缩小目标范围并研究具有更窄线宽的原子跃迁。

提高质量精度

在为研究而写的评论中, 尼尔斯·马德森(Niels Madsen) 英国斯旺西大学(Swansea University)的研究人员指出,霍里(Hori)小组以前通过用反质子替换氦原子中的一个电子来实现反质子与电子质量比的创纪录精度。但是,他说提高负离子质量的精确度将更加困难,部分原因是较低的氦气密度意味着信号更少。但是,他认为,如果坚持不懈,准确性可能会提高10-100倍。他写道:“因此,实验为深入了解自然的基本成分铺平了道路。”

霍里指出,增加介子的质量还可以降低粒子物理学家目前对介子抗中微子质量的上限,因为介子会分解为介子(其质量众所周知)和中微子。他说:“可以通过间接方法更准确地估计μ子中微子质量。” “但是直接由实验室确定总是很高兴。”

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