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反物质究竟是什么“颜色”?科学家头一次有了答案

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发表于 2018-4-12 23:29:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
当“大爆炸”形成宇宙时,物质和反物质的数量是相等的。但现在,宇宙几乎完全由物质组成。当物质和反物质相遇时,它们会湮灭,变成纯粹的能量。那么,为什么物质在“大爆炸”后的那些动荡时刻幸存了下来,而反物质现在却极为罕见?

二者之间的细微差别肯定是原因所在,同时也有助于解释,充满物质的宇宙是如何形成的。

4月4日发表于《自然》杂志的一项新研究,提供了迄今为止对反物质最精确的直接测量。开展这项实验的欧洲核子研究中心(CERN)表示,该研究以“前所未有的颜色”展示了反物质的光谱结构。到目前为止,反物质看起来就像我们所知的普通物质,但更精确的实验带来了更精确的对比,最终将揭示宇宙为什么更偏爱物质而不是反物质。



ALPHA项目的亨斯特在欧洲核子研究中心的反物质工厂里

CERN的反氢激光物理装置(ALPHA)项目团队把反氢作为实验对象,它是氢的反物质。(这支团队还在2010年首次捕获了冷反氢原子。)考虑到氢已经被研究得相当多了,因此对反物质研究而言,它是一个很好的切入点。

为了获得反氢,ALPHA团队利用反质子减速器来制造反质子,并将制造出来的反质子与正电子结合在一起。反氢很难处理,因为它会与物质发生湮灭反应。因此,下一步就涉及在磁陷阱中捕获反氢,然后朝它发射激光,进行测量。

2016年,ALPHA团队曾用同样的技术做了一项类似的实验,对反氢进行光谱测量。现在的不同之处在于精确度——CERN表示,目前这项实验的精确度提高了100倍。

这次,科学家可以测量反氢从最低能量态到第一激发态(1S到2S跃迁)的光谱形状,也就是颜色分布。结果显示,它看起来很像氢。



ALPHA项目团队

“对氢的这次测量得出了最精确的测量值。”参与ALPHA项目的多伦多约克大学物理学教授斯科特·梅纳瑞(Scott Menary)说,“精确到小数点后15位。”他还指出,能够将这个测量结果与反氢的测量结果进行比较,这是该领域梦寐以求的一件事。“不久前(关于反氢)的一篇论文给出了小数点后12位的测量值。”

梅纳瑞说,到目前为止,反氢和氢看起来是一样的,这“令人遗憾”,因为任何细微的差异都有可能启发新的想法和实验。尽管如此,研究工作正在迅速推进,更精确的结果也许触手可及。ALPHA项目发言人杰弗里·亨斯特(Jeffrey Hangst)说,这一发现代表了一个已酝酿30年之久的“范式转变”。

ALPHA项目加拿大研究小组的藤原诚(Makoto Fujiwara)2016年时曾说,“物质和反物质是物理定律的基本要素,如果我们发现了任何重大差异,将不得不改写宇宙的历史。”

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