研究人员首次冷却了反物质

通过|2021年4月1日

通过将反物质冷却到绝对零度,物理学家们可能最终能够回答一些问题,这些问题可能从根本上改变我们对宇宙的理解。

反氢原子在阿尔法磁阱中运动的艺术插图。图片:Chukman / TRIUMF

反物质也许是20世纪物理学中最激动人心的发现之一——当然这取决于你会问谁。它被定义为由反粒子组成的物质,是“普通”物质的对立面和补充,就像有一个来自比扎罗世界的同卵双生子,他做的和你做的完全一样,就是不做相反的事情。剪你的头发?比扎罗双胞胎在种植。对自己的决定有信心吗?比扎罗双胞胎后悔了。

我们所知道的每一种粒子都有一个“Bizzaro”双胞胎,或者更科学地说,一个反物质伙伴,实际上是相同的,但具有相反的属性。例如,一个电子带一个负电荷,而它的反粒子,即正电子,除了带正电荷外,是完全相同的。

除了科幻小说里的新奇事物,反物质对于我们理解宇宙是如何运转的很重要,但它仍然是物理学中最大的谜团之一。虽然物理学预测物质和反物质的行为应该是相反的,并且在大爆炸期间被同等数量地创造出来,但宇宙似乎几乎完全由物质构成。反物质几乎不存在,没有人知道为什么会这样。除此之外,当一个粒子和它的反粒子相遇时,它们会在一闪而过的光和能量中湮灭。因此,在我们的世界里,反物质原子是极其难以创造和控制的,这使得回答诸如“同样的自然法则是否同时适用于物质和反物质?”这个问题很难回答。

但似乎有(刺痛)光在隧道的尽头,在本周在欧洲核子研究中心的科学家们宣布,在这样一个世界第一,他们能够反氢原子样品冷却到接近绝对零度(−273.15摄氏度(-459.67华氏)系统达到最低能量或热运动时的温度。

这一结果标志着ALPHA长达数十年的反物质研究项目的一个分水岭,该项目始于2011年创造并捕获反氢1000秒的世界纪录。

“用激光操纵反物质是一个有点疯狂的梦想,”ALPHA-Canada发言人、TRIUMF科学家、激光冷却想法的最初支持者藤原真(Makoto Fujiwara)说。“我很高兴我们的梦想终于实现了……”

原子可以通过特定波长的光撞击它们来冷却,它们从中吸收并自动重新释放能量。由于光子同时携带能量和动量,当它们与另一个粒子碰撞时,它们转移动量,使该粒子减速。如果是气体粒子,情况就会变得更加复杂,比如一堆氢原子或反氢原子,它们不断地运动,因为朝发光激光移动的原子会吸收与远离的原子不同的光波长——这多亏了多普勒效应!为了冷却整个“云”,激光必须以特定的频率或波长脉冲,开始高,然后逐渐降低,最终冷却所有原子(或反原子!)

你可能会问,为什么这很重要?“反氢原子原子,原子反物质最简单的例子,提供了挑战当代物理学基本框架的独特机会,”作者在他们的研究中写道。

在如此低的温度下,原子和反原子的运动非常非常缓慢,这使得测量更加容易。在绝对零度,欧洲核子研究中心团队能够执行各种测试研究反物质的属性和特征,然后进行比较研究氢原子”,这将允许他们来测试我们的宇宙的基本对称预测由CPT对称简单地说(我尝试过),它预测了我们宇宙的一个镜像,在那里物质被反物质取代,随着时间倒退,同样的物理定律也在进化。本质上,我们和这个镜像世界在时间和空间上是相等和相反的。但这一理论存在漏洞,而这正是欧洲核子研究中心团队试图证明的。

“这些答案可能会从根本上改变我们对宇宙的理解,”ALPHA加拿大团队的英属哥伦比亚大学(UBC)研究员Takamasa Momose说,他领导了激光的开发。

该团队将进行的一项实验是研究重力对反物质的影响是否与对物质的影响相同。反物质会以与普通物质相同的速度落向地球吗?或者反物质的行为会不同吗?考虑到重力对气体粒子的影响很难测量,这一点很难确定。但在超低温下,比如绝对零度,这些粒子表现得更像液体而不是气体。

如果对称性成立,反氢原子应该向上下落,但大多数主流物理学家认为这不会发生;他们认为反氢原子会下降。但是,证明这些对称性被打破将导致一个非常令人兴奋的对我们的物理学思想的根本性修正,不仅影响粒子物理学,也影响我们对引力和相对论的理解(甚至可能影响比扎罗世界)。

欧洲核子研究中心的研究小组预计他们的实验将在今年8月的某个时候开始。我会坐在椅子边等着的。谁知道会发现什么?

参考文献:C.J. Baker等人,反氢原子的激光冷却、自然(2021)。DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03289 - 6