最近,一個(gè)由美國(guó)和加拿大科學(xué)家組成的國(guó)際研究小組,提出了一種為陷落反氫原子制冷的新方法,能使反氫原子溫度比現(xiàn)在所能達(dá)到的溫度低25倍,使它們更穩(wěn)定,便于開展各種實(shí)驗(yàn)操作。研究人員指出,該成果有可能大大推動(dòng)反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)步,幫人們揭示反物質(zhì)迄今未知的神秘性質(zhì)。相關(guān)論文發(fā)表在最近的國(guó)際物理學(xué)會(huì)(IOP)出版物《物理學(xué)雜志B輯:原子、分子與光學(xué)物理》上。
反氫原子是在超高真空陷阱中,將反質(zhì)子射入正電子等離子體而形成。在此過(guò)程中,反質(zhì)子會(huì)捕獲一個(gè)正電子,成為一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的反氫原子,相對(duì)于它們的陷落深度而言,其能量較高,會(huì)干擾人們對(duì)其性質(zhì)的檢測(cè)。降低反氫原子能量的方法主要是用激光將其降低到極低溫度。這一過(guò)程叫做多普勒冷卻(Doppler cooling),已經(jīng)比較成熟。
測(cè)量反物質(zhì)要求嚴(yán)格的參數(shù)限制。“造出必需數(shù)量的波長(zhǎng)在121納米的激光,并使這種光配合反氫原子捕獲實(shí)驗(yàn),這并非瑣碎研究。”論文合著者、美國(guó)奧本大學(xué)教授弗朗西斯·羅拜奇奧克斯說(shuō),經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算機(jī)模擬,他們證明了該方法能將反氫原子冷到約20毫開,而目前紀(jì)錄為500毫開。
“降低了反氫原子能量,對(duì)其所有參數(shù)的檢測(cè)就可能更加精確。我們的方法能使陷落的反氫原子平均能量降到不足原來(lái)的1/10。”羅拜奇奧克斯說(shuō),“反氫原子實(shí)驗(yàn)的最終目標(biāo)是將它們的性質(zhì)與氫原子作比較,降低其能量是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要一步。”
“無(wú)論過(guò)程是什么,反氫原子的運(yùn)動(dòng)速度越慢,就會(huì)陷落得越深,由此損失也會(huì)越少。”羅拜奇奧克斯說(shuō)。2011年,歐洲核子研究中心(CERN)報(bào)告說(shuō),他們將反物質(zhì)陷落時(shí)間延長(zhǎng)到1000秒,一年后,人們對(duì)反氫原子進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)。雖然控制陷落反氫原子的技術(shù)過(guò)程已廣為人知,但研究人員認(rèn)為,激光致冷還能使反氫原子被陷落的時(shí)間大大增加。
造出更冷的反氫原子,還可用于測(cè)量反物質(zhì)的重力性質(zhì)。論文合著者、加拿大國(guó)家粒子與核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的藤原誠(chéng)說(shuō),至今還沒人見過(guò)反物質(zhì)在重力場(chǎng)中是上升還是下降,要實(shí)現(xiàn)這一觀察,激光致冷技術(shù)是非常重要的一步。
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