物质和反物质构成的奇异原子
物质和反物质构成的奇异原子Original 不二北斗
原理 2022-04-02 05:31
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物质-反物质混合原子
每当科学家想要窥探反物质的神秘世界时，他们必须借用复杂的技术手段来防止反物质与周围的普通物质接触。这种隔离是至关重要，因为正如众所周知的那样，反物质一旦与普通物质接触就会立即湮灭。
不过最近，一个国际研究团队在欧洲核子研究中心（CERN）进行了一项令众多科学家惊讶的实验，他们将物质和反物质结合成了奇特的、能在短时间内保持稳定的混合氦原子，当这些奇异的原子被浸入到超流氦时，表现出了意想不到的行为。
这一新的结果或许将为把反物质用于研究凝聚态的性质或在宇宙射线中寻找反物质开辟一条新的路径。
减速器中的反物质粒子
根据粒子物理学的标准模型，我们知道粒子与其对应的反粒子除了携带符号相反的电荷之外，其他属性都完全相同。以携带一个正电荷的质子为例，其反粒子是携带一个负电荷的反质子。
在过往的实验中，科学家尚未发现任何证据表明，质子和反质子的质量有任何不同，如果能发现任何这样的差异，那么无论多么微小，都会动摇物理学的基础。
尽管迄今为止的所有实验证据都证明它们的其他性质都完全相同，但科学家并不能排除这样的现状是由于现有实验方法不够灵敏，从而检测不到任何可能存在的细微差别所导致的。
因此，世界各地的科学家仍在试图通过改进各种技术，以便对反粒子的特性展开更精确的观测。利用磁悬浮将反物质原子置于真空腔中进行光谱测量是科学家们通常会采用的一种观测手断。
在新研究中，研究人员利用CERN的反质子减速器创造出了奇特的含有反质子的氦原子。在反质子减速器中，高能质子在碰撞过程中所产生的反物质粒子的速度会下降，从而成为进行这类实验研究的理想材料。
在实验中，他们将缓慢的反质子与冷却到接近绝对零度的液氦混合，一小部分反质子会在液氦中被捕获，使得原本绕氦原子核的两个电子中的一个被反质子取代，形成一种能在足够长的时间内都保持稳定的结构，使得光谱学研究得以展开。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPuJreONG93tYIL9MatGES80EHicqZm6GwdJe6qyCFDBVA8EDLt5ZgMNUyzy4ZVqGRmIKJeh7iaPIXw/640?wx_fmt=jpeg在新研究中，原子中的一个电子被反质子替代，形成了奇异的混合物质-反物质氦原子。| 图片参考来源：Nature
2.2K时的纤细光谱线
这是一次令人兴奋的突破。其实一直以来，在液体中的反物质原子都被认为是无法用激光的高分辨率光谱学来加以研究的。因为在液体中，密集排列的原子或分子之间的强烈相互作用会导致光谱线严重加宽。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPuJreONG93tYIL9MatGES8wTRc5Zan0Jpam8jJS3UZ3mLVibek1J8HNZQu3n5qojl6Sd9CCHZpicXw/640?wx_fmt=jpeg把原子浸入到超流氦中，会使光谱线加宽。| 图片参考来源：Nature
这些光谱线就像是用于识别每个原子的“指纹”，它们是原子被从激光束中吸收的能量激发时所产生的共振图像。共振线在频率标尺上的确切位置以及线的形状可以揭示原子的性质、作用在反粒子上的力等信息。如果共振线被加宽，这些信息就会被掩盖。
在新的研究中，研究人员在不同温度下观察了反质子氦原子的光谱。他们用钛蓝宝石激光器所发射的激光照射液氦，这种激光能以两种不同的频率激发反质子原子的两种共振，结果表明，当温度降到2.2K以下时，光谱线的形状会突然改变——在更高温度下宽宽的光谱线会在这时变得非常狭窄。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPuJreONG93tYIL9MatGES84qy4ZPfnslozxR39dYfmaJ0MGukibkNwIJmLSew1x6mpe9BrboUHuDQ/640?wx_fmt=jpeg当氦原子中的一个电子被反质子替代后，在特定温度下，谱线变窄。| 图片参考来源：Nature
在2.2K以下时，氦会开始进入所谓的超流体状态。超流体是一种特殊的液体状态，其特征之一就是没有内摩擦。这是氦在极低温下会表现出的一种典型量子物理学现象。
目前，研究人员尚不清楚反质子光谱线为何会在这样的环境中发生如此惊人的变化，也不了解在这个过程中究竟发生了什么物理变化。
在黑暗中寻找光明
尽管仍有很多未知，但研究人员表示这种效应所带来的可能性是深远的。共振线的明显变窄会使得当原子被光激发时可以分辨出所谓的超精细结构。超精细结构是原子中的电子和反质子相互影响的结果。
除了粒子物理学之外，这种物质-反物质氦原子还可用于凝聚态物理，甚至天体物理实验中。狭窄纤细的光谱线有助于探测宇宙辐射中的反质子和反氘核。利用超流氦探测器或许还有可能帮助从太空捕获和分析反粒子，甚至有可能帮助我们解决另一个巨大的物理学谜团——暗物质的本质。有理论认为，当暗物质在银河系的光晕中发生相互作用时，可能会产生反质子和反氘核，然后这些反质子和反氘核会被传送到地球上。因此在某种程度上，我们可以说反物质或许能为宇宙中的这个“黑暗”谜团带来光明。
#创作团队：
撰文：不二北斗排版：雯雯
#参考来源：
https://www.mpq.mpg.de/6704191/03-superfluid-helium?c=2342https://home.cern/news/news/physics/asacusa-sees-surprising-behaviour-hybrid-matter-antimatter-atoms-superfluid#图片来源：
封面图：LMU München / MCQST首图：LMU München / MCQST
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