CERN科学家首次利用激光对反物质进行了冷却

2021年04月06日 19:14 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

欧洲核子研究组织(CERN)的科学家们,刚刚首次通过激光实现了反物质的冷却。这项里程碑式的成果,或有助于揭开反物质的神秘面纱,尤其是它为何在“大爆炸”之后不久,便在宇宙中消散于无形。此外与难以捉摸的暗物质不同,反物质至少对我们来说还显得更“有形”一些,且近年来已经得到了隔离、产生和检验。

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研究配图 - 1:ALPHA-2 装置示意图与反氢能级

简单理论的设想是,反物质与正常物质带有相反的电荷,若一定数量的两者互相接触,则可能在湮灭时爆发出巨大的能量。正因如此,反物质的存储和运输也变得相当棘手,更别提对其展开深入的了解。

庆幸的是,过去十年时间里,CERN 科学家们一直在努力开发更好用的容器。这些容器主要利用电磁作用,让反物质在真空中悬浮更长的时间。从几秒之一秒到几分钟,甚至超过一年。

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研究配图 - 2:激光冷却反氢的谱线形状与 TOF 分布

如此一来,科学家们就能够通过多种方式来研究反物质,比如它的光谱、及其与重力的相互作用。所有这些的主要目的,就是研究电荷是否是物质与反物质之间的唯一区别。

此外还有另一个问题,即研究人员难以在温度较高的“嘈杂”环境中,对反物质展开更精确的测量。

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研究配图 - 3:激光冷却 / 加热反氢的横向动能分布(TOF 重构)

好消息是,CERN 旗下 ALPHA 研究团队的工作人员,已经成功地借助激光来冷却反氢原子。此前这项技术已普遍运用于常规物质,但这次却是我们首次见到它被运用于反物质。

可知原子(或反原子)能够吸收激光的光子能量,将之短暂推向更高的能级,不久后再次发射光子、并衰减至较低的能级。由于光子可传递动量,科学家们便可利用此循环,让原子逐渐减速。

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研究配图 - 4:实验中冷热原子的谱线比较

为实现这一点,ALPHA 研究团队还使用了专为反氢而设计的脉冲激光,且频率刚好处在“低于其最低的能量状态”和向“较高的能量状态”转变之间。

通过数小时的努力,研究人员发现它们的(中值)动能下降到了初始值的 1/10 左右,温度也冷却到了 0.012K(仅略高于始终无法达到的绝对零度)。

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研究配图 - 5:从 1S-2S 能级跃迁的谱线记录

完成这项任务之后,研究团队继续发现,由激光冷却的反氢的光谱线,只有通常的 1/4 窄,表明了该技术有利于科学家对反物质展开更精确的测量,进而帮助我们深入了解反物质与常规物质的区别。

CERN cools antimatter using laser light for the first time(via

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然》(Nature)期刊上,原标题为《Laser cooling of antihydrogen atoms》。

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