歐核中心首次成功製造出反氫原子束

2020-12-05 中國科學院

　　據物理學家組織網1月22日（北京時間）報導，歐洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反質子原子光譜和碰撞）實驗首次成功製造出反氫原子束，並在產生反氫原子地方向下2.7米的範圍內，即遠離強磁場的區域，檢測到80個反氫原子。這個結果意味著朝向精確的超精細反氫原子光譜研究邁出重要一步。該研究結果刊登在1月21日的《自然·通訊》雜誌上。

　　為什麼宇宙是由正物質而非反物質構成？當前有關亞原子世界的最優理論——粒子物理標準模型也無法給出答案。但科學家認為，物質和反物質屬性之間的微小差異可能就是答案所在，而這種差異體現在違反CPT對稱定理上。CPT對稱指把粒子用反粒子替換，右手坐標系換成左手坐標系，以及所有粒子速度反向，物理定律不變。而反氫原子由一個反質子和一個正電子構成，這樣簡單的結構是測試CPT對稱的最佳模型。

　　迄今，在宇宙中從未觀測到原始的反物質，CERN在實驗中通過將反電子（正電子）和由反質子減速器產生的低能量反質子混合，產生大量反氫原子。氫和反氫原子的光譜預測是完全相同的，所以在它們之間的任何微小差異會給新的物理學打開一扇窗口，並可能在解決反物質之謎方面有所助力。憑藉其單一質子只伴隨有一個電子，氫是最簡單存在的原子，在現代物理學中是最精確研究並極好理解的一種體系。因此，比較氫和反氫原子構成是執行物質/反物質對稱性高精度測試的最佳途徑之一。

　　當物質和反物質相遇，它們會立刻消減，因此除了創建反氫原子，保持反原子（由反粒子組成的原子）遠離普通物質更是關鍵挑戰。要做到此點，實驗需利用反氫原子的磁特性（類似於氫氣的），並使用非常強的非均勻磁場誘捕反原子足夠長的時間來研究。然而，強磁場的場梯度會降低（反）原子的光譜性質。

　　在ASACUSA實驗中，研究人員開發出一個創新的粒子陷阱裝置——「卡斯波」陷阱，可利用多個磁場的綜合作用將反質子和正電子集合到一起，形成反氫原子。然後這些反氫原子轉移到遠離強磁場的區域，導入真空管狀通道中呈現飛行狀態，由此測量反氫原子由基態開始的超精微躍遷。

　　ASACUSA協作團隊領導者、日本理化學研究所山崎說：「由於反氫原子沒有電荷，這給將其從陷阱中運送出來造成一大挑戰。這項研究結果對超精細反氫原子研究非常有前景，特別是光譜特性。在反氫原子中其測量將允許對物質/反物質對稱性最敏感的測試，我們期待今年夏天將這個裝置重新啟動改進。」ASACUSA實驗下一步將優化反氫原子束的強度和動能，以更好地了解其量子狀態。

相關焦點

  • 研究製造出飛行狀態下反氫原子
    據美國物理學家組織網12月6日報導，歐洲核子研究中心和日本理化學研究所的科研人員合作，設計了一種創新的粒子陷阱裝置，成功製造出一定數量的飛行狀態下的反氫原子
  • 反物質原子光譜測量首次完成
    但是，反物質難以產生和捕捉，因為反物質一旦與物質接觸就會湮滅，這為科學家測量其屬性帶來挑戰。　　歐核中心反質子減速器的最新進展，讓研究人員得以捕捉和測量反質子與反氫原子。現在，來自歐核中心反氫雷射物理裝置（ALPHA）項目的丹麥科學家傑弗裡·漢斯特及其同事，在圓柱形真空腔內成功磁捕獲反氫原子。
  • 中國科學家宣稱找到反物質引爭議
    因此尋找和研究反物質也成為物理學領域的熱點和難點。這些年來，所有的反物質也都來自於實驗室中的製造。　　畢業於美國哥倫比亞大學物理系的盧昌海博士撰文指出，原子和分子是承載物質物理和化學性質的基本組元。從這個意義上講， 反氫原子的成功製備才是人類有史以來首次製備出了反物質，此前所研究的只能稱為是反粒子而不是反物質。
  • 歐核中心證明質子與反質子為真正鏡像
    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 【字體：（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。
  • 自然的對稱性:歐核中心在反氫原子上重演狄拉克「關鍵誤差」
    狄拉克方程是量子力學與狹義相對論的首次融合，用量子化的觀念來描述原子的不同能級，由此，人們可以計算出氫原子的精細能譜。狄拉克方程也首次預言了正電子的存在，它與電子的電量相當而電荷相反。所有的負能級被無數正負電子對填滿，我們的世界漂浮其上，這就是狄拉克之海的概念。
  • 人類如何製造出反物質?
    在物質的原子內部——構成一切的物質——是圍繞中心核旋轉的電子。氫原子是最簡單的元素，由一個電子和一個質子構成的原子核組成。電子帶負電荷，而質子帶正電荷。相反的電荷相互吸引，使原子保持在一起。反氫原子是一樣的，但是電荷是相反的。
  • 宇宙中的反物質是什麼?我們人類可以製造出並使用嗎?
    在20世紀末期，人類發現了反物質的存在，反物質是一種全新的物質，與之前我們所認知的物質不同。在宇宙中存在著許許多多的反物質，但在我們人類的認知範圍內反物質才剛接觸不久。反物質和物質是相反的。這些能量以伽馬射線的形式出現，每個射線消失並釋放出大量能量。而且，自然界不可能在非人造的情況下出現反物質的。狄拉克這一說法給科學界帶來極大震撼，並且科學家們認為這種想法非常合理，因此他們試圖發現和製造反物質。1932年，美國物理學家安德森發現並研究了來自遙遠太空的宇宙射線。
  • 「反物質」不再遙不可及:國內首次利用超強超短雷射產生反物質
    ——超快正電子源，這也是我國科學家首次利用雷射成功產生反物質，這一發現將在材料的無損探測、雷射驅動正負電子對撞機、癌症診斷等領域具有重大應用。如果再配以正電子，就形成反原子，例如歐洲核子中心科學家實現的實驗室捕捉反氫原子技術。再用反原子組成反分子，構成反物質。
  • 全球最大「仿星器」核聚變反應堆首次製造出氦等離子
    12月10日，德國馬克思普朗克學會等離子體物理研究所（IPP）宣布，用於研究核聚變反應的世界最大仿星器「Wendelstein 7-X」已開始運行，並首次製造出了氦等離子體。「Wendelstein 7-X」是世界上最大的仿星器聚變裝置，用來研究仿星器裝置應用於聚變電站的適用性和可行性。
  • 歐核中心實驗首次發現玻色子「三胞胎」
    據物理學家組織網27日報導，美國科學家藉助歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）和其緊湊繆子線圈實驗（CMS），首次觀察到極罕見的玻色子「三胞胎」生成事件，這一成果或有助科學家發現超越粒子物理學標準模型的新物理學。
  • 反氫內基準能量躍遷首次實現
    據美國每日科學網站報導，加拿大和歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家在22日出版的《自然》雜誌上撰文稱，他們首次實現並觀察了反氫內基準的原子能量躍遷——萊曼-α（Lyman-alpha）躍遷，向冷卻和操縱反物質的基本形式邁近了一步。
  • 人類首次俘獲反物質 幾克即可毀滅地球
    反物質就是正常物質的鏡像，正常原子由帶正電荷的原子核構成，核外則是帶負電荷的電子。　　在美國科幻片《星際迷航》裡，太空人把反物質用作星際飛船燃料。而在美國作家丹·布朗暢銷小說《天使與魔鬼》中，犯罪集團企圖從歐洲核子研究中心盜取反物質，用以炸毀整座梵蒂岡城。　　英國《自然》雜誌網站北京時間18日發布報告，歐洲核子研究中心(CERN)的科學家成功製造出38個反氫原子，並利用磁場使其存在了「較長時間」。這是科學家首次成功「抓住」反物質原子。
  • CERN首次產生出反物質束流
    CERN的ASACUSA實驗裝置，首次成功產生出了反氫原子束流。圖片來源：CERN射出一束反物質束流，聽起來像是科幻電影裡的反派科學怪人才幹得出來的事情。如今，這樣的壯舉已經被歐洲核子研究中心（CERN）的科學家實現了。他們製造反物質束流，可不是為了佔領地球統制全人類，而是為了進一步探索新物理學，試圖回答一個源自宇宙創生之初的大問題。
  • 自主設計製造運行 江西省「人造太陽」首次成功放電
    來源：中國證券網原標題：自主設計製造運行 江西省「人造太陽」首次成功放電 來源：江西日報原標題：自主設計製造運行我省「人造太陽」首次成功放電「充電完成，觸發！」1月12日，在南昌大學江西省聚變能與信息控制重點實驗室，由江西省科研人員自主設計、製造及運行的「人造太陽」裝置——我國首個可實現壓縮融合啟動等離子體電流的球形託卡馬克裝置（NCST）正式投入運行並實現首次成功放電，填補了江西省在磁約束聚變基礎實驗研究領域的空白。萬物生長靠太陽，無論是傳統的化石能源，還是風能、生物能等新型能源，其本質都是太陽能。
  • 關於反物質的十件事:人體也會釋放反物質
    1995年，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家在實驗室中製造出了世界上第一批反物質——反氫原子；1996年，費米國家加速器實驗室成功製造出7個反氫原子。2000年9月18日，CERN成功製造出約5萬個低能狀態的反氫原子，這是人類首次在實驗室條件下製造出大批量的反物質。2011年5月初，中國科學技術大學與美國科學家合作製造了迄今最重反物質粒子——反氦4。
  • 關於反物質的十件事:人體也會釋放反物質—新聞—科學網
    由於反物質一旦同物質接觸，就會彼此湮滅，因此，這些反物質粒子非常短命。 身價昂貴但難以企及 儘管物質—反物質湮滅有潛力釋放出大量能量，1克反物質或能產生相當於核爆的爆炸規模，但人類目前製造出的反物質少得可憐。
  • 科學家全面揭秘反物質疑雲:如何製造反物質
    宋斌攝圖為歐洲核子中心入口處的（粒子物理學）博物館。宋斌攝　　歐洲核子中心在反物質研究領域邁出重要一步，引起世界關注。這裡的科學家上個月成功地將反氫原子「抓住」長達1000秒的時間,打破了迄今為止反物質留存時間的最長紀錄。
  • 人類首次捕捉反物質 微量破壞力超過氫彈(組圖)
    雖然這次實驗不可能令科學家研製出曲速引擎飛行器（WarpEngine）、反物質驅動裝置，或是找到比《星際迷航》光速旅行更快的旅行方式，但卻有可能揭開宇宙起源之謎。　　《天使與魔鬼》《達文西密碼》姊妹篇《天使與魔鬼》電影中，藏匿在羅馬的反物質炸彈成為電影的主線。不過，製造和保存微量反物質是一件非常困難和耗資巨大的事情，用於製造超級武器的前景更是距離現實非常遙遠。
  • 氫的反物質「反氫」的物理性質被CERN測量,反物質研究迎來突破!
    近日，歐洲核子物理研究中心（CERN）對反物質的研究有了突破性進展，歐核中心首次報告對反氫的一種物理性質實現高精度測量，此前，這種物理性質僅限於理論預測，而今終於完成對自然基本對稱性的重要檢驗。這項研究將幫助人類進一步理解宇宙，我們知道，作為宇宙中最簡單的原子，正氫的精細結構和性質已經基本上被人類摸透了，但是由於反物質的難以製造和保存（與正物質接觸會直接湮滅，而人眼所見的物質都是正物質），在此之前，科學家們關於反氫的研究一直都沒有什麼進展。
  • 人類首次捕捉反物質 一丁點就能摧毀一個星球
    雖然這次實驗不可能令科學家研製出曲速引擎飛行器(WarpEngine)、反物質驅動裝置，或是找到比《星際迷航》光速旅行更快的旅行方式，但卻有可能揭開宇宙起源之謎。　　《天使與魔鬼》《達文西密碼》姊妹篇《天使與魔鬼》電影中，藏匿在羅馬的反物質炸彈成為電影的主線。不過，製造和保存微量反物質是一件非常困難和耗資巨大的事情，用於製造超級武器的前景更是距離現實非常遙遠。