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测量反氢原子的超精细结构光谱

2017年9月8日13:11 环球解密

    (Courtesy: ALPHA / CERN)
    ■CERN的ALPHA-2实验宣布他们以万分之四的精确度测量到了反氢原子的超精细结构光谱。
    英国物理学家狄拉克在1928年写下了著名的狄拉克方程式,随之而来的一个重要结果便是预言了反物质的存在。很快的,物理学家便从宇宙射线中发现了第一个反物质,也就是正电子。
    根据理论物理的预测,反物质与我们日常生活中的物质,基本上一模一样,带有一样的质量,一样的自旋,一样的所有性质。唯一的差异在于所带的电荷:反物质带的电荷与物质相反。而当物质与反物质碰在一起时,两者会互相湮灭而放出两道光子。这个性质是物理学家用来侦测反物质最主要的方法之一。
    以目前的实验物理技术,物理学家可以大量的产生反物质。一般实验室中最常见到的便是正电子,医院常用到的正子造影便跟正电子有关。而质量更重的反物质就更难形成,通常只有在高能粒子实验中透过高能粒子对撞才有办法产生。
    物理学家对反物质相当有兴趣,他们希望知道反物质是否跟物质一样具有相同的物理性质,遵守一样的物理定律。要研究反物质的性质,物理学家决定由反氢原子下手。反氢原子是由一个反质子跟一个正电子所组合而成,是一个电中性的复合系统。而选择了反清原子的一个重要理由是,物理学家可以透过研究反氢原子的光谱来仔细研究反氢原子的性质。
    氢原子的光谱是物理学家可以测量到的最精准的物理量之一。当物理学家把氢原子的光谱测量到准确度为10-13时,物理学家发现了两个微微分开的谱线。这被称为超精细结构谱线。这两个微微分开的谱线使得物理学家能够进而了解到电子也带有磁矩。而这个氢原子的超精细结构谱线,两个谱线之间跃迁频率,对应到的电磁波波长为21公分。这个氢原子的21公分谱线在天文物理中有很重要的应用。
    回到反氢原子。CERN的ALPHA-2实验要做的,便是仔细测量反氢原子的超精细构造光谱,看看能不能看到类似的21公分谱线。他们利用CERN的反质子减速器(Antiproton Decelerator)来收集反质子,然后与正电子混合以产生反氢原子。他们利用磁力阱来捕捉反氢原子,然后对磁力阱输入微波以激发反氢原子。当反氢原子吸收到特定频率的微波,便会受到激发而脱离磁力阱,与外界的氢原子相互湮灭并放出光子。透过测量微波频率与放出光子数量间的关系,物理学家可以仔细测量反氢原子的谱线。
    ALPHA-2的确看到了类似于氢原子的超精细构造光谱,测量到的频率为1,420.4 ± 0.5 MHz,误差约为万分之四。尽管误差相对于氢原子的测量还是大了许多,不过这个数值与氢原子所测量到的数值一致。这个测量表示以目前的实验技术,在超精细结构部份,反氢原子与氢原子的表现一致。随着测量技术的进步,物理学家将可以对反氢原子作更精准的测量。如果测到两者不相符的话,将很有可能会是新物理的征兆。

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