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科学家:实现了首次通过激光操纵反物质

用激光操纵我们通常所见的物质并不是新鲜事,科学家们自从40年来,通过激光操纵普通原子彻底改变了现代原子物理学,而且有数项实验研究还获得了诺贝尔奖。

反物质是物质的超凡脱俗的对立物,反物质与其普通物质的对立物具有几乎相同的特征和行为,但是电荷相反。例如一颗反质子和一颗反电子〈正电子〉能形成一个反氢原子,如同电子和质子形成一般物质的氢原子。

    由于反物质原子在与物质原子接触时会被湮灭,因此在我们的世界中,反物质原子异常难以创建和控制,而且从来没有被激光操纵过。

欧洲核子研究组织(CERN)的ALPHA合作的研究人员,发表在今天的《自然》杂志的研究论文报告说,首次实现了通过激光操纵反物质。这一研究成果将大大改变反物质研究的格局,并推动下一代实验的发展。该研究论文作为了这一期的《自然》杂志的封面文章。

该研究论文标题为:《激光冷却反氢原子》,研究人员通过激光将反物质冷却到接近绝对零度,然后操纵反氢原子。

反氢原子是反物质原子最简单的例子,它为当代物理学的基础框架提供了独特的机会。通过将反氢特性与经过充分研究的氢原子进行精确比较,可以测试基本对称性,例如电荷-奇偶性-时间不变性和爱因斯坦的等效原理,这是量子场论和广义相对论的基础。

激光冷却通过运用一道或多道激光将原子、分子冷却的技术。1974年,斯坦福大学的T.W.汉森等人提出以激光将气体分子减速的设想。光子,即电磁场的量子激发,是无质量的,但带有动量。因此,光子在碰撞时会在物体上施加力。通过这样的力的施加减慢原子和离子的平移运动,从而发生激光冷却。

多普勒冷却是激光冷却的第一个实例,也是最常用的方法(以至于仍然经常被简称为激光冷却)。它利用多普勒效应达到原子冷却的技术。当激光传播方向与原子运动方向相反时,原子感受到激光的频率比实际频率略高。使激光频率比原子的共振频率略低,原子迎着激光前进时仍然可以吸收光子而进入激发态。当原子从激发态回落至基态时,释放的光子能量比之前吸收的略大,导致原子损失能量。由于入射光子动量方向恒定,而放出的光子的动量角分布是均匀的,原子的动量亦得以改变。

在该研究中,研究人员运用多普勒冷却磁捕获反氢样品。如图所示激光冷却之前(灰色)和之后(蓝色)的磁阱中的反氢原子运动,图像显示了反氢轨迹的各种长度。

这一研究结果标志着科学家首次将这些技术应用于反物质。研究人员表示,通过这种技术,我们可以解决长期存在的谜团,例如:'反物质如何对引力作出反应?反物质可以帮助我们理解物理学中的对称性吗?'。这些答案可能从根本上改变我们对宇宙的理解。

通过冷却反物质,研究人员将能够执行各种精密测试,以进一步研究反物质的特征,包括可能揭示我们宇宙基本对称性的实验。这些测试可以提供有关宇宙为何主要由物质而不是大爆炸模型所预测的等分物质/反物质构成的线索。

如今,激光冷却与操纵技术已成为许多科技领域的主力军,包括对量子信息、量子计算、原子钟、和基础物理测试的研究等。但是,该激光冷却与操纵技术尚未应用于反物质。

激光操纵反物质将为各种前沿物理创新打开大门。该研究团队现在正在开发用于反物质研究的新量子技术。研究人员表示:我们的下一个梦想是通过将激光冷却的反物质扔到自由空间中来制造反原子的喷泉。一旦实现,它将实现以前无法想象的全新的量子测量。” “此外,通过使用这样的激光操纵技术将反原子结合在一起,我们能够制造出世界上第一个反物质分子,距离仅差一步。

该研究证明,这种通过激光操纵反物质原子运动的方法,将有可能为未来的实验提供突破性的机会,例如反原子喷泉、反原子干涉测量法、和反物质分子的产生等。

参考:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03289-6

https://phys.org/news/2021-03-canadian-built-laser-chills-antimatter-absolute.html