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美探索用反物质造伽马射线激光器 可对非常微小的空间进行探测 科技日报讯 传统激光器的操作光波可从红外线到X射线一网打尽,而伽马射线激光器则依靠比X射线更短的光波来运行,这就使其能产生波长仅为X射线千分之一的光波,从而能对非常微小的空间进行探测,并在医学成像领域大展拳脚。不过,长期以来,建造伽马激光器一直是个难题。现在,美国科学家让一类名为“电子偶素(positronium)”的物质—反物质混合物作为增益介质,将普通光变成了激光束。 据美国趣味科学网站5月8日报道,在最新一期的《物理评论·原子分子物理》杂志上,马里兰大学联合量子研究所的王逸新(音译)、布兰登·安德森以及查尔斯·克拉克撰文表示,他们发现,当向电子偶素提供特定能量,它将产生在其他能量下无法制造出的激光;而且,要制造出激光束,这种电子偶素必须处于玻色—爱因斯坦凝聚态下。 克拉克解释道,这种奇怪的效应与电子偶素的“性格”有关。每个电子偶素“原子”实际上是一个普通的电子和一个正电子(电子的反物质)。正电子和电子分别带正负电荷。当它们相遇时,会相互湮灭并释放出两个高能光子,这两个光子位于伽马射线范围内,反向移动。 有时,电子和正电子会围绕对方旋转,就像电子围绕着质子旋转组成原子一样。然而,正电子比质子轻,因此电子偶素并不稳定,在不到十亿分之一秒内,电子和正电子会相互碰撞并发生湮灭。 为了制造出伽马射线激光器,科学家们需要使电子偶素的温度非常低,接近绝对零度(零下273摄氏度)。这一冷却过程会让电子偶素进入波色—爱因斯坦凝聚态,这种状态下物质内的所有原子,也就是电子—正电子对,进入同样的量子状态,一举一动整齐划一。 量子状态的一个方面是自旋。电子偶素的自旋数要么为1,要么为0。一束远红外线光脉冲能让电子偶素的自旋数为0。自旋为零的电子偶素会湮灭并产生双方向相干的伽马射线束—激光束。研究人员表示,能做到这一点是因为所有电子偶素“原子”拥有同样的自旋数。如果是自旋为0和自旋为1的电子偶素随机组合,那么,光会朝各个方向散射。 研究人员也计算出,为了让一台伽马射线工作,每立方厘米大约需要1018个电子偶素原子,听起来有点多,但与空气的密度相比还是少很多,同样体积的空气大约有2.5×1019个原子。 在1994年首次提出伽马射线激光器这一概念的贝尔实验室的艾伦·米尔斯表示,研究人员可以借用数学方法,让制造这种激光器所需要的环境更加精确。(刘霞)来源:中国科技网-科技日报 2014年05月10日
http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012151306_267198_2193245_3.jpg银河核心深处神秘物质相撞在一起产生的伽马射线 据国外媒体报道,宇宙学家表示,他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数,比天空中的其他临近区域更频繁。 最近几年,科学杂志上不断出现类似研究,不过要证实信息来源一直非常困难。然而费米实验室和芝加哥大学的宇宙学家、最新研究的第一论文作者丹·霍普表示,10月13日出现在arXiv.org网站上的这项最新研究与此不同。他说:“除了暗物质以外,我们考虑每一个天文学来源,然而我们了解的知识无法解释这些观测资料。也没有与之密切相关的解释。”这一断言还没得到其他科学家的严格审查,不过看过这篇论文的人表示,他们还需要对该成果进行更多讨论。 费米实验室的天体物理学家克雷格·霍甘并没参与这项研究,他说:“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型,把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据,但它令人兴奋,值得我们去追根究底。”暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀——宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量,目前它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。 跟普通物质一样,暗物质具有引力,几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动,人们看不到它。微中子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子,但是它们几乎是零质量,而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为,剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子(WIMP)构成,这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起,它们就会彼此摧毁对方,产生伽马射线。 霍普和他的科研组通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析,发现这种高能死亡信号。费米太空望远镜是美国宇航局的伽马射线望远镜,主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现,发出信号的相撞在一起的暗物质粒子,比质子大约重8到9倍。霍普说:“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。” 该科研组在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号。霍普解释说,他们之所以会关注这个区域,是因为它是暗物质最喜欢的聚集地,银河这个区域的暗物质密度,是银河边缘的10万倍。简而言之,银河核心就是一个暗物质大量聚集在一起,经常相撞的地方。 然而,其他科学家希望看到卡尔·萨根的名言“不同凡响的发现需要不同凡响的证据”能变成现实。也就是说,他们希望看到从自然界和实验室两方面获得的证据。芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳没参与这项研究,他说:“没人提供像萨根提到的那种证据。接受这一观点最困难的部分是,你必须拒绝接受天体物理学解释。大自然非常非常聪明,这可能是我们至今从没思考过的事情。” 特纳表示,好消息是几项有希望的暗物质探测试验目前正在进行。相干锗中微子技术(CoGeNT)等深埋地下的探测器可助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象。特纳说:“这十年是暗物质的十年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”霍普同意两人的观点,不过他表示,与他交谈过的天体物理学家,没人能解释清楚这一现象。他认为,在他的发现得到支持或痛批前,也许只要数周时间就能在实验室里验证暗物质是否存在。他说:“我从没像现在一样为自己是一名宇宙学家而感到激动不已。”
请问X射线与伽马射线有那些主要区别,宇宙射线中有哪些种吗?谢谢!