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用激光爆破捕捉“暗”物质

星之球科技 来源:江苏激光产业创新联盟2021-09-06 我要评论(0 )   

反物质被认为在我们宇宙的故事中扮演着重要的角色。它是物质的对应物,一样有质子、中子和电子,但电荷相反。根据我们对物理定律的最佳理解,今天的宇宙应该由物质和反...


反物质被认为在我们宇宙的故事中扮演着重要的角色。它是物质的对应物,一样有质子、中子和电子,但电荷相反。根据我们对物理定律的最佳理解,今天的宇宙应该由物质和反物质组成。那么事实真是这样么?





CERN的科学家们已经首次成功用激光冷却暗物质 来源: Chukman So





研究反物质是非常困难的,创造反物质需要巨大的能量,即使创造成功,它也很容易消失——当它与我们周围的物质接触时,它会自我毁灭。欧洲核子研究组织(法语:Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire;英语:European Organization for Nuclear Research,1954年9月29日设立,通常被简称为CERN,是世界上最大型的粒子物理学实验室)已经研究产生了一种方法,可以魔法般创造、捕获和用激光冷却反物质,持续足够长的时间,使其能够进行更精确的测量。这一实验是解开宇宙中反物质消失之谜的重要一步。






制造反物质





正如物质是由原子组成的一样,反物质也是由反原子组成的。最容易制造的反质子是反氢(——氢在物质中的对应物,由CERN于1995年首次创造,并于2012年首次测量。由一个围绕一个反质子核运行的反电子(称为正电子,是电子的反粒子,与电子质量相等,但电荷相反))组成,反氢和氢具有宇宙中最简单的原子结构。但是制造反氢并不容易。





解决这个问题的经典方法是使用粒子对撞机,就像CERN的大型强子对撞机(是粒子物理科学家为了探索新的粒子和微观量化粒子的'新物理'机制设备,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,Large Hadron Collider,英文名简称为LHC)一样,可将巨大的动能转换成足够多的亚原子碎片供我们研究。





电磁阱产生的力将带电粒子“定住”。来源:Niels Madsen





粒子加速器可以用来制造反质子,然而,要制造一个可用的反质子,我们需要100万个质子和至少2600万倍于最终“储存”在反质子中的能量。这使得我们制造的每一个反质子都无比不易、无比珍贵。一旦我们创造了足够多的反质子,我们就需要反电子(正电子)来构建我们的反原子(通过迫使反质子和正电子在电磁阱中接触而实现的)。令人高兴的是,正电子可以很容易地从放射源中收集。另外,还必须要注意这一构建必须在真空中发生,因为如果反粒子与仪器的任何部分接触,它们就会在接触中湮灭、完全消失。只有经过所有这些步骤,我们才能形成可用的反氢原子,这些原子被磁场组合固定在真空中。






测量反氢





在上面所说的这种状态下,才可以测量反氢。我们要测量的是反氢原子两种能量状态之间的关键原子跃迁——这种转变特别适合于精确测量,氢中的当量已经精确到惊人的小数点后15位。





我们的反氢测量可精确到小数点后12位。这比普通氢的最精确测量差了1000倍,但这是目前任何人做过的最好的反氢测量。





但是我们测量的一个关键限制是反原子在阱中的运动,因为它们产生着动能。通过进一步减少这种移动,我们的测量将更加准确。我们的实验第一次通过用激光爆破反原子实现了这一点。



激光冷却



激光器中的光是由光子组成的,光子自身带有动量。当一个原子吸收一个光子时,原子的速度会发生微小的变化。通过遵循这一基本原理,我们知道我们可以利用激光束中包含的动量来降低我们捕获的反原子动能,并将它们冷却到接近绝对零度。这要求我们只在反原子向激光运动时用光子撞击反原子,因为这会抵消反原子的一些速度,你可以想象你在秋千上使力从而让孩子慢下来。






液氦有助于冷却阱中的反氢,但激光有助于进一步降低温度。来源:Niels Madsen





通过使用这种定向激光冷却,我们设法将储存的反氢的温度降低了十倍,这有可能将未来的测量精度提高四倍。除此之外,我们的激光冷却技术已经使我们在物质和反物质的许多测量中获得了更高精度,并使我们更接近于对氢本身进行更精确的测量。





令人兴奋的是激光冷却为测量反氢开辟了更多可能。现有的技术可允许我们积累大量反氢,比如每天可积累数千个反原子,我们将很快对反氢的性质有更多的了解——帮助我们理解为什么物质在我们的宇宙中无处不在,而反物质却如此难以捉摸。




来源:“Laser cooling of antihydrogen atoms” by C. J. Baker, W. Bertsche, et al., 31 March 2021, Nature. DOI: 10.1038/s41586-021-03289-6



原文参考SciTechDaily,Antimatter: Scientists Trap Elusive Material by Blasting It With Lasers,By NIELS MADSEN, SWANSEA UNIVERSITY


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制造业激光激光技术

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