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研究者用激光轰击反氢原子:光谱与氢原子并无区别

来源:新浪科技2017-01-12 我要评论(0 )   

新浪科技讯 北京时间1月12日消息,据国外媒体报道,物质与反物质之间的极端不平衡是宇宙中最令人困惑的谜题之一。它们都是在大爆炸期间产生,但如今占统治地位的却是普...

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艺术想象图:被隔离起来的反氢原子。在“陷阱”中游荡了一段时间之后,反氢原子会被释放出来,用激光进行轰击,产生能够被附近探测器追踪的信号。

新浪科技讯 北京时间1月12日消息,据国外媒体报道,物质与反物质之间的极端不平衡是宇宙中最令人困惑的谜题之一。它们都是在大爆炸期间产生,但如今占统治地位的却是普通物质,其中缘由我们不得而知。要解决这一谜题,最显而易见的方法便是观察反物质本身。如果科学家能够发现反物质的行为有某种不同,或许就能找到解释这种极端不平衡的线索。

为此,一个研究团队决定对氢原子和反氢原子是否具有相同的光谱——吸收和释放相同波长的光——进行测试。他们首次对一个反氢原子进行了激光光谱分析,但获得的结果却与常规的氢原子惊人的相似。

捕捉反物质

反物质具有与普通物质相反的电荷。普通的氢原子由一个质子(正电荷)和一个小得多的电子(负电荷)组成,而反氢原子由一个反质子(负电荷)和一个反电子(又称正电子,带正电)组成。

当物质与反物质碰撞时,它们会湮灭,只留下高能质子,这也使科学家很难在实验室里研究反物质。实验室中的空气、人和实验仪器都由普通物质组成,只要有几个游荡的原子,就会使你的反原子转瞬间就消失得无影无踪。考虑到制造反物质的成本极其昂贵,这样的情况肯定不能让人满意。于是,研究者想出了一个巧妙的方法:将反物质隔离起来,使其无法碰撞到其他任何东西。利用电场,研究人员将反物质隔离在一个被称为“ALPHA-2”的仪器中,时间大约为10分钟。

ALPHA是“反氢激光物理仪器”(Antihydrogen Laser Physics Apparatus)的缩写,通过该仪器,研究者终于有了一窥反粒子性质的机会。研究过程中,反物质还被冷冻到了0.5开尔文。这样的冷却是必要的,可以防止单个反原子运动速度过快而逃出“陷阱”。

激光!

隔离反原子之后,研究人员开始利用激光对反原子进行探测。当光击中一个原子时,如果光的波长合适,光的能量就会被原子的电子吸收。利用这些额外能量,电子就能跃迁到更高的能级轨道。之后,电子会以光的形式释放出能量,回到原来的轨道。

研究人员希望对电子释放的这些光进行光谱分析。不同的元素会释放出不同波长的光,但任意两个氢原子都应该产生相同波长的光。而且,根据已知的物理学,反氢原子也应该产生同样的光谱。

研究人员进行了3组11次试验。前两组中设置了不同的激光,第三组作为对照,没有激光。这样的实验设置可以排除一些突然出现或可能影响结果的系统问题。这些实验还能帮助鉴别出背景中的宇宙射线。当宇宙射线与粒子在大气层上方碰撞时,会产生能进入实验仪器的次级粒子,而这些粒子可能会被误认为是隔离的反氢原子发出的光。

结果和结论

实验令人兴奋,但结果却并不激动人心。到目前为止,来自反氢原子的光谱与氢原子的完全吻合,证实了标准模型的部分基本理论。如果实验中出现了不同的光谱,那物理学界可能就得掀起一番波澜了。

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