反氢原子

欧核中心首次成功制造出反氢原子束向超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步 科技日报讯 （记者华凌）据物理学家组织网1月22日（北京时间）报道，欧洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反质子原子光谱和碰撞）实验首次成功制造出反氢原子束，并在产生反氢原子地方向下2.7米的范围内，即远离强磁场的区域，检测到80个反氢原子。这个结果意味着朝向精确的超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步。该研究结果刊登在1月21日的《自然·通讯》杂志上。 为什么宇宙是由正物质而非反物质构成？当前有关亚原子世界的最优理论——粒子物理标准模型也无法给出答案。但科学家认为，物质和反物质属性之间的微小差异可能就是答案所在，而这种差异体现在违反CPT对称定理上。CPT对称指把粒子用反粒子替换，右手坐标系换成左手坐标系，以及所有粒子速度反向，物理定律不变。而反氢原子由一个反质子和一个正电子构成，这样简单的结构是测试CPT对称的最佳模型。 迄今，在宇宙中从未观测到原始的反物质，CERN在实验中通过将反电子（正电子）和由反质子减速器产生的低能量反质子混合，产生大量反氢原子。氢和反氢原子的光谱预测是完全相同的，所以在它们之间的任何微小差异会给新的物理学打开一扇窗口，并可能在解决反物质之谜方面有所助力。凭借其单一质子只伴随有一个电子，氢是最简单存在的原子，在现代物理学中是最精确研究并极好理解的一种体系。因此，比较氢和反氢原子构成是执行物质/反物质对称性高精度测试的最佳途径之一。 当物质和反物质相遇，它们会立刻消减，因此除了创建反氢原子，保持反原子（由反粒子组成的原子）远离普通物质更是关键挑战。要做到此点，实验需利用反氢原子的磁特性（类似于氢气的），并使用非常强的非均匀磁场诱捕反原子足够长的时间来研究。然而，强磁场的场梯度会降低（反）原子的光谱性质。 在ASACUSA实验中，研究人员开发出一个创新的粒子陷阱装置——“卡斯波”陷阱，可利用多个磁场的综合作用将反质子和正电子集合到一起，形成反氢原子。然后这些反氢原子转移到远离强磁场的区域，导入真空管状通道中呈现飞行状态，由此测量反氢原子由基态开始的超精微跃迁。 ASACUSA协作团队领导者、日本理化学研究所山崎说：“由于反氢原子没有电荷，这给将其从陷阱中运送出来造成一大挑战。这项研究结果对超精细反氢原子研究非常有前景，特别是光谱特性。在反氢原子中其测量将允许对物质/反物质对称性最敏感的测试，我们期待今年夏天将这个装置重新启动改进。”ASACUSA实验下一步将优化反氢原子束的强度和动能，以更好地了解其量子状态。 总编辑圈点 绘制精确的超精细反氢原子光谱，进而比较氢和反氢原子构成，将提供探索宇宙起源和检验宇宙大爆炸理论的基础数据，把它比作物理学的一座“圣杯”并不为过。无论最后结果如何，都能使人类在微观和宏观两个层次上的认识尺度有跨越式提升。现在，欧核中心向伟大成功又迈了一大步，从十几年前首次制造出微量反氢原子，到2011年使数百个反氢原子停留近16分钟，再到制造出反氢原子束，他们已经踩在诺贝尔奖的节奏上。来源：中国科技网-科技日报 2014年01月23日

中国科技网讯 据物理学家组织网1月7日（北京时间）报道，最近，一个由美国和加拿大科学家组成的国际研究小组，提出了一种为陷落反氢原子制冷的新方法，能使反氢原子温度比现在所能达到的温度低25倍，使它们更稳定，便于开展各种实验操作。研究人员指出，该成果有可能大大推动反物质实验进步，帮人们揭示反物质迄今未知的神秘性质。相关论文发表在最近的国际物理学会（IOP）出版物《物理学杂志B辑：原子、分子与光学物理》上。 反氢原子是在超高真空陷阱中，将反质子射入正电子等离子体而形成。在此过程中，反质子会捕获一个正电子，成为一个处于激发态的反氢原子，相对于它们的陷落深度而言，其能量较高，会干扰人们对其性质的检测。降低反氢原子能量的方法主要是用激光将其降低到极低温度。这一过程叫做多普勒冷却（Doppler cooling），已经比较成熟。 测量反物质要求严格的参数限制。“造出必需数量的波长在121纳米的激光，并使这种光配合反氢原子捕获实验，这并非琐碎研究。”论文合著者、美国奥本大学教授弗朗西斯·罗拜奇奥克斯说，经过一系列计算机模拟，他们证明了该方法能将反氢原子冷到约20毫开，而目前纪录为500毫开。 “降低了反氢原子能量，对其所有参数的检测就可能更加精确。我们的方法能使陷落的反氢原子平均能量降到不足原来的1/10。”罗拜奇奥克斯说，“反氢原子实验的最终目标是将它们的性质与氢原子作比较，降低其能量是实现该目标的重要一步。” “无论过程是什么，反氢原子的运动速度越慢，就会陷落得越深，由此损失也会越少。”罗拜奇奥克斯说。2011年，欧洲核子研究中心（CERN）报告说，他们将反物质陷落时间延长到1000秒，一年后，人们对反氢原子进行了首次实验。虽然控制陷落反氢原子的技术过程已广为人知，但研究人员认为，激光致冷还能使反氢原子被陷落的时间大大增加。 造出更冷的反氢原子，还可用于测量反物质的重力性质。论文合著者、加拿大国家粒子与核物理国家实验室的藤原诚说，至今还没人见过反物质在重力场中是上升还是下降，要实现这一观察，激光致冷技术是非常重要的一步。（记者常丽君） 总编辑圈点 当1克物质和1克它的反物质相撞湮灭时，迸发出的能量无可比拟。如果用反物质来制造武器，只需几克便可摧毁地球；如果想把人类送上火星，需要千万吨以上的化学原料，而几十毫克的反物质燃料就能办到。反物质的“超能量”无疑吊足了科学家的胃口，尽管目前只在实验室中制造并短暂捕捉到了反物质原子，而文中提到的激光致冷技术，在让反氢原子温度大大降低的同时，也使科学家离揭开反物质的“神秘面纱”又“近了一步”。 《科技日报》（2013-01-08 一版）

2011年05月06日 来源： 科技日报 作者： 常丽君　　本报讯 1000秒并不太长，但对于欧洲核子研究中心（CERN）反氢激光物理装置（ALPHA）项目的物理学家来说，却是4个数量级的重大突破。据美国物理学家组织网5月4日报道，CERN此前的记录是捕获了38个反氢原子并保持了172毫秒，而本次实验捕获了309个反氢原子并保持了1000秒，为进一步证明反物质属性铺平了道路。 　　特殊反物质概念是现代科幻小说和电影的最爱，在大众心理层面产生的效果经常会扭曲了反物质的真实性质，或对使用反物质带来的后果产生误解。因此，任何CERN取得的新进展，都可能引发更多联想。　　由粒子和反粒子构成的原子很不稳定，通常仅能存在不到1微秒。而反氢原子完全由反粒子构成，被认为是稳定的，成为精确研究物质—反物质对称体系的最佳目标。反氢原子和氢原子是否具有同样的能级？它和重力会怎样反应？反氢原子在重力作用下会向下落还是向上升，抑或是以其他某种人们想不到的方式？CERN进行的系列实验正是要回答这些问题。　　ALPHA项目研究小组在反质子和正电子结合的时候，将其冷却以降低能量制造出反氢原子，低能态让反氢原子在磁阱中保持一团云状。在实验中，研究人员捕获了309个任意速度的反氢原子，它们在跟各种微量气体碰撞而彻底湮灭或者得到能量逃出磁阱之前，持续存在了1000秒时间。　　研究人员指出，这意味着ALPHA小组掌握了捕获更多反氢原子的技术。下一步计划是冷却一小群反氢原子，以观察它们在重力作用下是升还是降，回答有关反物质属性的关键问题之一。　　实验还首次测量了被捕获反氢原子的能量分布。根据计算显示，大部分被捕获的反氢原子处于基态。这些研究拓宽了进一步实验的范围，包括精确研究CPT（电荷—宇称—时间反演）对称、凸显万有引力效应的制冷温度等，也为系统地研究磁阱动力学提供了关键工具。（常丽君）