歐核中心證明質子與反質子為真正鏡像
2020-11-23 中國科學院歐核中心證明質子與反質子為真正鏡像
2015-08-15 科技日報 華凌
語音播報
研究中使用的磁性潘寧阱的剖面示意圖
最近，歐洲核子研究中心（CERN）一支由日本理化研究所領導的研究團隊，在對粒子物理學中標準模型的一個基本特性——CPT不變性進行測試時，對質子及其反物質——反質子的荷質比做了迄今為止最精確的測量，證明質子和反質子表現出嚴格的鏡像。
在現代物理學中，對稱性規律具有核心地位。作為標準模型的一個基本對稱特性，CPT不變性意味著當三種基本屬性反轉，即正反粒子反演（C）、空間反演（P）以及時間反演（T）時，系統保持不變。這是標準模型的一個核心原則，暗示著反物質粒子必須是物質的完美鏡像，只是其電荷相反。
據物理學家組織網近日報導，歐核中心的這一研究團隊負責人斯特凡·烏爾姆說：「這是一個重要的問題，幫助解釋了為何宇宙大爆炸後儘管一定會產生物質和反物質，我們卻感到生活在一個沒有反物質的宇宙中。如果發現有違反了CPT的現象，則意味著物質和反物質可能具有不同的特性，例如，反質子也許比質子衰變的速度快。但是研究發現，在相當嚴格的限制中，它們的荷質比是相同的。」
該研究團隊使用了CERN的反質子減速器，從中得到了反質子和負氫離子（作為質子的代替物），然後在磁性潘寧阱中困住反質子—負氫離子對，將其能量降至超低。隨後研究人員測量了這對物質的迴旋頻率，確定它們的荷質比，並比較了二者的相似性。在超過35天的時間裡，研究人員共測量了約6500對反質子—負氫離子。
烏爾姆說：「我們發現它們的荷質比是相同的，誤差不超過萬億分之69。」與之前對質子—反質子對的測量手段相比，這次測量的能量解析度要高4倍，進一步制約了CPT不變性違規的可能性。
這一研究對已知的弱等效原理也有影響，該原理認為所有粒子，不論其質量和電荷怎樣，都將會以相同方式受重力影響。該團隊根據新發現計算，在百萬分之一誤差範圍內，重力對物質與反物質的作用是一致的。
該項研究成員之一的克裡斯汀·斯莫拉說：「我們有諸多理由相信，存在著一些超越標準模型的物理現象，包括神秘的暗物質和物質、反物質之間的不平衡。這些高精度的測量提出了新的重要約束條件，有助於我們決定未來研究的方向。」
該研究成果發表在最新一期的《自然》上。
研究中使用的磁性潘寧阱的剖面示意圖
最近，歐洲核子研究中心（CERN）一支由日本理化研究所領導的研究團隊，在對粒子物理學中標準模型的一個基本特性——CPT不變性進行測試時，對質子及其反物質——反質子的荷質比做了迄今為止最精確的測量，證明質子和反質子表現出嚴格的鏡像。
在現代物理學中，對稱性規律具有核心地位。作為標準模型的一個基本對稱特性，CPT不變性意味著當三種基本屬性反轉，即正反粒子反演（C）、空間反演（P）以及時間反演（T）時，系統保持不變。這是標準模型的一個核心原則，暗示著反物質粒子必須是物質的完美鏡像，只是其電荷相反。
據物理學家組織網近日報導，歐核中心的這一研究團隊負責人斯特凡·烏爾姆說：「這是一個重要的問題，幫助解釋了為何宇宙大爆炸後儘管一定會產生物質和反物質，我們卻感到生活在一個沒有反物質的宇宙中。如果發現有違反了CPT的現象，則意味著物質和反物質可能具有不同的特性，例如，反質子也許比質子衰變的速度快。但是研究發現，在相當嚴格的限制中，它們的荷質比是相同的。」
該研究團隊使用了CERN的反質子減速器，從中得到了反質子和負氫離子（作為質子的代替物），然後在磁性潘寧阱中困住反質子—負氫離子對，將其能量降至超低。隨後研究人員測量了這對物質的迴旋頻率，確定它們的荷質比，並比較了二者的相似性。在超過35天的時間裡，研究人員共測量了約6500對反質子—負氫離子。
烏爾姆說：「我們發現它們的荷質比是相同的，誤差不超過萬億分之69。」與之前對質子—反質子對的測量手段相比，這次測量的能量解析度要高4倍，進一步制約了CPT不變性違規的可能性。
這一研究對已知的弱等效原理也有影響，該原理認為所有粒子，不論其質量和電荷怎樣，都將會以相同方式受重力影響。該團隊根據新發現計算，在百萬分之一誤差範圍內，重力對物質與反物質的作用是一致的。
該項研究成員之一的克裡斯汀·斯莫拉說：「我們有諸多理由相信，存在著一些超越標準模型的物理現象，包括神秘的暗物質和物質、反物質之間的不平衡。這些高精度的測量提出了新的重要約束條件，有助於我們決定未來研究的方向。」
該研究成果發表在最新一期的《自然》上。
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