重磅！首次在反物質中，測量到量子效應，或將動搖粒子標準模型！

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網（www.bokeyuan.net）

歐洲核子研究中心（CERN）研究首次對反氫（氫的反物質對應物）能量結構中某些量子效應的測量，這些量子效應已知存在於（正）物質中，研究它們可以揭示物質和反物質行為之間尚未觀察到的差異，其研究成果現在發表在《自然》期刊上的一篇論文中，研究結果表明：這些最初的測量結果與對「正」氫的影響理論預測是一致的，並為更精確地測量這些和其他基本量鋪平了道路。

歐洲核子研究中心阿爾法實驗發言人傑弗裡·漢斯特(Jeffrey Hangst)表示：發現正反物質之間的任何不同，都將動搖粒子物理標準模型的基礎，而這些新的測量結果探索了反物質相互作用的各個方面（比如蘭姆位移），這是物理學家長期以來一直期待解決的問題。下一項任務是使用最先進的雷射冷卻技術冷卻大量反氫（反物質）樣品。這些技術將改變反物質研究，並能對物質和反物質進行前所未有的高精度比較。

阿爾法團隊通過將歐洲核子研究中心（CERN）反質子減速器提供的反質子與反電子（通常稱為「正電子」）結合起來，產生反氫原子。然後將反氫原子限制在超高真空中的磁阱中，從而防止反氫原子與（正）物質接觸並湮滅。然後，雷射照射到被捕獲的原子上，以測量它們的光譜響應。

這項技術有助於測量已知的量子效應，如所謂的精細結構和蘭姆位移，這些效應對應於原子在某些能級上的微小分裂，並在這項研究中首次在反氫原子中進行了測量。

該團隊之前曾使用這種方法測量反氫的其他量子效應，最新是對萊曼-阿爾法轉變的測量。這種精細結構是在一個多世紀前用原子氫測量的，並為引入描述基本帶電粒子之間電磁相互作用強度的自然基本常數奠定了基礎。

蘭姆位移是大約70年前在同一系統中發現的，是量子電動力學（物質和光如何相互作用的理論）發展中的一個關鍵因素。蘭姆位移測量為威利斯·蘭姆贏得了1955年的諾貝爾物理學獎，1947年在著名的庇護島會議上報導了這一測量結果，這是戰後美國物理界領袖首次有機會聚集在一起。

理論和技術說明

精細結構和蘭姆位移都是原子在某些能級(或譜線)上的小分裂，可以用光譜學來研究。在沒有磁場的情況下，氫的第二能級精細結構分裂是所謂的2P3/2和2P1/2能級之間的分離。分裂是由原子的電子速度和其本徵(量子)旋轉之間的相互作用引起。「經典的」蘭姆位移是2S1/2和2P1/2能級之間的分裂，也是在沒有磁場的情況下，這是真空中虛光子進出時的量子漲落對電子影響的結果。

在新研究中，阿爾法團隊通過誘導和研究在磁場為1特斯拉情況下反氫最低能級與2P3/2和2P1/2能級之間的躍遷，確定了精細結構分裂和蘭姆位移。使用之前測量的1S-2S躍遷頻率值，並假設某些量子相互作用對反氫是有效的，研究人員從研究結果中推斷出精細結構分裂和蘭姆位移的值。發現，在精細結構分裂的實驗不確定度為2%，蘭姆位移的實驗不確定度為11%範圍內，推斷的值與「正」氫中分裂的理論預測一致。

博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5

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