歐核中心首次成功制造出反氫原子束 _氫原子

【歐核中心首次成功制造出反氫原子束】洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反質子原子光譜和碰撞）實驗首次成功制造出反氫原子束，并在產生反氫原子地方向下2.7米的范圍內，即遠離強磁場的區域，檢測到80個反氫原子。這個結果意味著朝向精確的超精細反氫原子光譜研究邁出重要一步。該研究結果刊登在1月21日的《自然·通訊》雜志上。
為什么宇宙是由正物質而非反物質構成？當前有關亞原子世界的最優理論——粒子物理標準模型也無法給出答案。但科學家認為，物質和反物質屬性之間的微小差異可能就是答案所在，而這種差異體現在違反CPT對稱定理上。CPT對稱指把粒子用反粒子替換，右手坐標系換成左手坐標系，以及所有粒子速度反向，物理定律不變。而反氫原子由一個反質子和一個正電子構成，這樣簡單的結構是測試CPT對稱的最佳模型。
迄今，在宇宙中從未觀測到原始的反物質，CERN在實驗中通過將反電子（正電子）和由反質子減速器產生的低能量反質子混合，產生大量反氫原子。氫和反氫原子的光譜預測是完全相同的，所以在它們之間的任何微小差異會給新的物理學打開一扇窗口，并可能在解決反物質之謎方面有所助力。憑借其單一質子只伴隨有一個電子，氫是最簡單存在的原子，在現代物理學中是最精確研究并極好理解的一種體系。因此，比較氫和反氫原子構成是執行物質/反物質對稱性高精度測試的最佳途徑之一。
當物質和反物質相遇，它們會立刻消減，因此除了創建反氫原子，保持反原子（由反粒子組成的原子）遠離普通物質更是關鍵挑戰。要做到此點，實驗需利用反氫原子的磁特性（類似于氫氣的），并使用非常強的非均勻磁場誘捕反原子足夠長的時間來研究。然而，強磁場的場梯度會降低（反）原子的光譜性質。
在ASACUSA實驗中，研究人員開發出一個創新的粒子陷阱裝置——“卡斯波”陷阱，可利用多個磁場的綜合作用將反質子和正電子集合到一起，形成反氫原子。然后這些反氫原子轉移到遠離強磁場的區域，導入真空管狀通道中呈現飛行狀態，由此測量反氫原子由基態開始的超精微躍遷。
ASACUSA協作團隊領導者、日本理化學研究所山崎說：“由于反氫原子沒有電荷，這給將其從陷阱中運送出來造成一大挑戰。這項研究結果對超精細反氫原子研究非常有前景，特別是光譜特性。在反氫原子中其測量將允許對物質/反物質對稱性最敏感的測試，我們期待今年夏天將這個裝置重新啟動改進。”ASACUSA實驗下一步將優化反氫原子束的強度和動能，以更好地了解其量子狀態。
繪制精確的超精細反氫原子光譜，進而比較氫和反氫原子構成，將提供探索宇宙起源和檢驗宇宙大爆炸理論的基礎數據，把它比作物理學的一座“圣杯”并不為過。無論最后結果如何，都能使人類在微觀和宏觀兩個層次上的認識尺度有跨越式提升。現在，歐核中心向偉大成功又邁了一大步，從十幾年前首次制造出微量反氫原子，到2011年使數百個反氫原子停留近16分鐘，再到制造出反氫原子束，他們已經踩在諾貝爾獎的節奏上。