为何我们直到今天才观察到反氢的光谱?为何研究反物质如此困难?

文章来源:健康时报 2020-02-11 10:52

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物理学家回答: 尽管反物质首次于1932年在实验中得到确认,但在2016年12月前,一直未曾有人看到过任何反物质的原子光谱。

氢的原子光谱。为了观测到它,取一些氢,将它加热,然后观察它发出的光。非常简单。反氢(看起来)拥有完全相同的光谱,只是要得到它就困难得多了。

 

反物质的问题在于你不能让它接触任何东西。一旦接触:砰。虽说考虑到我们一次只能用上一些原子,它还不止“砰”的一声。由于其生成方式,避免反物质触碰任何东西特别棘手。在自然界,反物质不会大量存在,因为就和其它所有事物一样,它最终会撞上什么东西,但和其它所有事物不同的是,它只能撞上一次。这意味着你无处找寻它:你不可能提取或者开采反物质,你只能制造它。

我们用使粒子相撞的方式来制造它。每当有充足的额外能量聚在一处时,会有新的粒子以粒子/反粒子对的形式同时生成。通常,当有充足的能量以生成物质和反物质时,能量也足以使这些新的粒子移动起来。

左图: 铅离子被以光速射向彼此。右图:在一对铅离子撞击彼此之后,探测器观察到的新粒子的运动轨迹。

在反物质生成之后,必须将它从(接近)光速减缓至步行速度,随后仅运用电磁场,使它持续飘浮在高真空之中。但电场仅对带电粒子有效;中性物质(它们拥有等量的正负电荷)并不会受吸引或者排斥。

同时,原子光谱是由原子里不同能级间跃迁和回落的电子或者正电子(反电子)生成的。但一旦你将反质子和正电子放在一起制造出反氢,你就有了一个电中性的原子,它即刻会落到你的容器底部,并且以蚂蚁点足那样的力道直接湮灭了(单个反物质原子不值得忧虑)。

幸运的是,许多原子,包括氢和反氢,都有一个“磁矩”。虽然它们呈电中性,而且对电场无反应,但它们会有像小块条形磁铁那样的表现,我们可以利用这一点使它们保持悬停。即使如此,这也不是很轻松的工作;纯粹为了好玩的话,你可以试试用其它磁铁将某块磁铁悬停在半空中(你会很快发现这一次次掉下来失败直到你放弃的整个过程,比起好玩来,更适于被当成学习的经历。)

核物理学家没有因为不够好玩而停下脚步,他们聪明地想出了一种方法,使冷(缓慢)的原子悬停。所谓“异极相吸同极相斥”的简单法则并不适用,因为每个原子都既有北极又有南极。相反,我们不得不依靠一个更为精妙(弱)的效应:氢是“抗磁性的”,意思是它会与强磁场相斥。

水,和放大以后看到的青蛙,具有抗磁性,使它们有可能在绝对过强的磁场(~16特斯拉)中飘浮。反讽的是,这比悬停单个原子要容易,因为固着在一起的原子的大集合远不会那么快地四处跃动。

即使如此,将刚从加速器里生成的反质子和正电子用磁捕获,使它们结合在一起并悬停下来, 就好像用一只很浅的碗试图从消防喷水头接住水一样。欧洲核子研究组织(CERN)用反质子和正电子生成反氢的过程中大约28%有效。而随后将这些原子捕获的过程中大约仅有0.056%有效。在一次特定尝试中生成的9万个反质子之中,平均只有14个成功地转化为受控的反氢。

一旦你成功克服了所有这些“小麻烦”,所剩的也就是精确地测定由一束激光激发的一打原子所发出的光了。这同样非常困难,但仅仅是由于测出任何如此小的样本都很费劲而已。

顺便一提,最终的结果是,反氢的光谱和那些常规的,像洗碗水一样无趣的(作为洗碗水的主要成分之一)氢的光谱极为相像,无法相互区分。这给人们留下了“宇宙中为何没有更多的反物质”这一问题。当我们制造反物质时,我们同时也制造出了恰好等量的常规物质,同样的情况在每次我们所知的生成/湮灭过程中都是一样的。人们的期待是,在物质与反物质之间存在什么根本性的不同,能够区分两者,这种不同应该比所谓的“它们一样,但是相反”要深刻得多。这一被期待已久的实验展现出,正电子和反质子相互作用的方式和电子与质子相互作用的方式完全一样(但相反)。而总是有细节和更多东西等待我们去探索,所以:继续我们下一项研究吧。为了科学
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