反物質是什麼顏色?《自然》發表迄今為止最精確的直接測量_風聞
造就-造就官方账号-发现创造力2019-06-27 19:30
當“大爆炸”形成宇宙時,物質和反物質的數量是相等的。但現在,宇宙幾乎完全由物質組成。當物質和反物質相遇時,它們會湮滅,變成純粹的能量。那麼,為什麼物質在“大爆炸”後的那些動盪時刻倖存了下來,而反物質現在卻極為罕見?
二者之間的細微差別肯定是原因所在,同時也有助於解釋,充滿物質的宇宙是如何形成的。
2018年4月4日發表於《自然》雜誌的一項新研究,提供了迄今為止對反物質最精確的直接測量。開展這項實驗的歐洲核子研究中心(CERN)表示,該研究以“前所未有的顏色”展示了反物質的光譜結構。
到目前為止,反物質看起來就像我們所知的普通物質,但更精確的實驗帶來了更精確的對比,最終將揭示宇宙為什麼更偏愛物質而不是反物質。
ALPHA項目的亨斯特在歐洲核子研究中心的反物質工廠裏
CERN的反氫激光物理裝置(ALPHA)項目團隊把反氫作為實驗對象,它是氫的反物質。(這支團隊還在2010年首次捕獲了冷反氫原子。)考慮到氫已經被研究得相當多了,因此對反物質研究而言,它是一個很好的切入點。
為了獲得反氫,ALPHA團隊利用反質子減速器來製造反質子,並將製造出來的反質子與正電子結合在一起。反氫很難處理,因為它會與物質發生湮滅反應。因此,下一步就涉及在磁陷阱中捕獲反氫,然後朝它發射激光,進行測量。
2016年,ALPHA團隊曾用同樣的技術做了一項類似的實驗,對反氫進行光譜測量。現在的不同之處在於精確度——CERN表示,目前這項實驗的精確度提高了100倍。
這次,科學家可以測量反氫從最低能量態到第一激發態(1S到2S躍遷)的光譜形狀,也就是顏色分佈。結果顯示,它看起來很像氫。
ALPHA項目團隊
“對氫的這次測量得出了最精確的測量值。”參與ALPHA項目的多倫多約克大學物理學教授斯科特·梅納瑞(Scott Menary)説,“精確到小數點後15位。”他還指出,能夠將這個測量結果與反氫的測量結果進行比較,這是該領域夢寐以求的一件事。“不久前(關於反氫)的一篇論文給出了小數點後12位的測量值。”
梅納瑞説,到目前為止,反氫和氫看起來是一樣的,這“令人遺憾”,因為任何細微的差異都有可能啓發新的想法和實驗。儘管如此,研究工作正在迅速推進,更精確的結果也許觸手可及。
ALPHA項目發言人傑弗裏·亨斯特(Jeffrey Hangst)説,這一發現代表了一個已醖釀30年之久的“範式轉變”。
ALPHA項目加拿大研究小組的藤原誠(Makoto Fujiwara)2016年時曾説,“物質和反物質是物理定律的基本要素,如果我們發現了任何重大差異,將不得不改寫宇宙的歷史。”