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十年磨一剑!科学家首次在反氢原子中观测到兰姆移位

1955 年诺贝尔物理学奖授予两名物理学家,一半授予了兰姆(Willis Eugene Lamb),以表彰他在氢谱精细结构方面的发现;另一半则授予了库什(Polykarp Kuse…


1955 年诺贝尔物理学奖授予两名物理学家,一半授予了兰姆(Willis Eugene Lamb),以表彰他在氢谱精细结构方面的发现;另一半则授予了库什(Polykarp Kusech)以表彰他对电子矩阵所作的精密测定。


兰姆在氢谱精细结构的研究中发现了兰姆位移;库什在精密测定电子矩阵中发现了反常电子矩阵。两者都对量子电动力学的发展有着重大推动作用。 


兰姆移位(Lamb Shift),一般指氢原子的 2S(1/2)和 2P(1/2)这两个能级间的微小能量差异,该差异最早由兰姆和 Robert Retherford 于 1947 年在实验中发现,曾在当时因与著名物理学家保罗 · 狄拉克(Paul Dirac)所提出的狄拉克方程(整合了量子力学与狭义相对论)的预期不符而引起轰动,直接促使了量子电动力学的诞生。


在量子电动力学中,这一能级差异被解读为是由电子持续吸收并放出光子所导致的,而该理论也精确地提出了其中涉及的吸收及放出光子对电子磁动量影响的计算方法,计算结果也与实验结果相符,而量子电动力学也因此被当今的物理学家们视为 20 世纪物理学的重大变革之一


然而,虽然早在 1995 年科学家们就成功观测到了反氢原子存在的迹象,但人们对反粒子的了解至今仍可谓是“知之甚少”。不过,就在一篇于近日发表在《自然》杂志上的论文中,此前刷新过反氢原子光谱观测精度的欧洲核子研究组织的 ALPHA 项目团队认为,他们已在近期的研究中于反氢原子内成功地观测到了兰姆移位。


根据标准模型,宇宙中存在着和粒子相对的反粒子,反粒子的质量与正粒子相同,但特定物理性质与正粒子相反(比如带有电子的反粒子带正电),在与正粒子相遇时会发生泯灭,仅留下能量。虽然宇宙大爆炸很可能产生了等量的正反粒子,但“为何是正粒子,也就是我们平常所称的物质,最终在宇宙大爆炸后大量留存了下来。为什么留下的不是反粒子”,这仍是当代物理学需要回答的基本问题之一,而与反粒子有关的研究则有希望为这一问题找到答案。


在研究中,ALPHA 项目团队通过使用反质子减速器(Antiproton Decelerator)来提取反质子,然后将其与钠 – 22 的正电子结合来制备反氢原子(氢原子由一个质子和一个电子构成,而反氢原子则由一个反质子和一个正电子构成),之后再将反氢原子 “锁” 在位于一段长约 28 cm,直径约 4 cm 的柱形空间内的磁井中(以防止与正离子发生相遇而泯灭消失),然后再用激光照射这些被捕获的反氢原子,通过传感器收集其被激光照射后的反应,并最终将分析后的结果与氢的数据进行比较,然后再判断研究所关注的反氢原子各项观测结果是否与理论预期相符 。


图 | ALPHA 的实验设备示意图 (来源: Nature)


根据论文中所阐述的实验方法,ALPHA 项目团队在此次研究中通过观测反氢原子在特定能级下的精细结构(Fine Structure),测得反氢原子在单位磁场强度下的光致跃迁频率,然后在 “Zeeman 效应和超精细结果作用机理” 成立的假设下,得出了 “兰姆移位存在于反氢原子中” 的结论。


其最终数据显示,计算所得出的能级差异结果与量子电动力学的理论预期值的吻合度高达约 98%,而结合该团队此前已测得的高精度反氢原子 1S 到 2S 轨道能级的跃迁频率,研究的数据分析表明其观测结果与经典兰姆移位理论所预期的反氢原子的该能级跃迁频率值也大致相符,ALPHA 项目团队也因此得以判定兰姆移位确实有在此次的反氢原子观测实验中被观测到。


图 | ALPHA 实验设备外景(图源:Alpha Experiment)


据悉,ALPHA 项目自 2007 年完成对反氢粒子建模,并提出实验设备设计方案已过去十多年,期间,该项目团队一点一点从无到有地,从理论建模,设备构想,如何捕捉反氢粒子,尝试捕捉和如何检测一路走来,最终在 2018 年实现了对反氢原子的创纪录观测精度,并在 2019 年后半年又取得了本篇论文所阐述的新突破,确可谓是“十年磨一剑”


在应用方面,物理学家们能通过将此类针对反粒子的观测结果与对应正粒子的数据进行比较,来检验宇宙对称模型中一种名为 CPT 对称(CPT 分别代表 Time 时间,Charge 电荷和 Parity 宇称)的基本对称性。


任何与标准模型、对称理论不符的观测结果都有可能会撼动现代粒子物理的基础,而与标准模型、对称理论相符的观测结果则会进一步巩固二者在现代物理学中的基石地位。更最重要的是,通过对结果进行分析并与理论预期进行比较,甚至在不符的情况发生时及时对理论进行修正,将有望能为回答 “何当前我们所能观测到的宇宙大体由正粒子(也就是物质)构成” 这一问题提供线索。


虽然直到近几年物理学家们才实现对反氢粒子的高精度观测,但类似此次研究的现有反粒子高精度观测实验结果,无疑代表着目前 “对反氢原子建立严谨的光谱学” 已成为可能。


而也正如论文中所写的那样,此次的发现进一步证明了研究所采用的观测方式的有效性,同样的手法或能在未来也被用来对反氢粒子的其它性质也进行高精度观测,而此次发现本身,也无疑能被看作是现代反粒子研究领域的一大进展。


-End-


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