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欧核中心首次成功制造出反氢原子束

向超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步

    科技日报讯 （记者华凌）据物理学家组织网1月22日（北京时间）报道，欧洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反质子原子光谱和碰撞）实验首次成功制造出反氢原子束，并在产生反氢原子地方向下2.7米的范围内，即远离强磁场的区域，检测到80个反氢原子。这个结果意味着朝向精确的超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步。该研究结果刊登在1月21日的《自然·通讯》杂志上。

    为什么宇宙是由正物质而非反物质构成？当前有关亚原子世界的最优理论——粒子物理标准模型也无法给出答案。但科学家认为，物质和反物质属性之间的微小差异可能就是答案所在，而这种差异体现在违反CPT对称定理上。CPT对称指把粒子用反粒子替换，右手坐标系换成左手坐标系，以及所有粒子速度反向，物理定律不变。而反氢原子由一个反质子和一个正电子构成，这样简单的结构是测试CPT对称的最佳模型。

    迄今，在宇宙中从未观测到原始的反物质，CERN在实验中通过将反电子（正电子）和由反质子减速器产生的低能量反质子混合，产生大量反氢原子。氢和反氢原子的光谱预测是完全相同的，所以在它们之间的任何微小差异会给新的物理学打开一扇窗口，并可能在解决反物质之谜方面有所助力。凭借其单一质子只伴随有一个电子，氢是最简单存在的原子，在现代物理学中是最精确研究并极好理解的一种体系。因此，比较氢和反氢原子构成是执行物质/反物质对称性高精度测试的最佳途径之一。

    当物质和反物质相遇，它们会立刻消减，因此除了创建反氢原子，保持反原子（由反粒子组成的原子）远离普通物质更是关键挑战。要做到此点，实验需利用反氢原子的磁特性（类似于氢气的），并使用非常强的非均匀磁场诱捕反原子足够长的时间来研究。然而，强磁场的场梯度会降低（反）原子的光谱性质。

    在ASACUSA实验中，研究人员开发出一个创新的粒子陷阱装置——“卡斯波”陷阱，可利用多个磁场的综合作用将反质子和正电子集合到一起，形成反氢原子。然后这些反氢原子转移到远离强磁场的区域，导入真空管状通道中呈现飞行状态，由此测量反氢原子由基态开始的超精微跃迁。

    ASACUSA协作团队领导者、日本理化学研究所山崎说：“由于反氢原子没有电荷，这给将其从陷阱中运送出来造成一大挑战。这项研究结果对超精细反氢原子研究非常有前景，特别是光谱特性。在反氢原子中其测量将允许对物质/反物质对称性最敏感的测试，我们期待今年夏天将这个装置重新启动改进。”ASACUSA实验下一步将优化反氢原子束的强度和动能，以更好地了解其量子状态。

    总编辑圈点
    绘制精确的超精细反氢原子光谱，进而比较氢和反氢原子构成，将提供探索宇宙起源和检验宇宙大爆炸理论的基础数据，把它比作物理学的一座“圣杯”并不为过。无论最后结果如何，都能使人类在微观和宏观两个层次上的认识尺度有跨越式提升。现在，欧核中心向伟大成功又迈了一大步，从十几年前首次制造出微量反氢原子，到2011年使数百个反氢原子停留近16分钟，再到制造出反氢原子束，他们已经踩在诺贝尔奖的节奏上。

来源：中国科技网-科技日报    2014年01月23日