名为“α过程”的实验终于取得成果,科学家将反物质减速至行车速度

几年来,欧洲核子研究组织(CERN)的一直在研究一种方法,借由精心调制的激光光,巧妙地阻止反物质前进,这个称为“α过程”的实验在近期终于取得了成果,科学家将反氢粒子从一级方程式赛车的速度(300km/hr),降至一辆普通汽车的行驶速度(50km/hr)。

在一个时间倒流的镜像宇宙中,里面充满了我们所熟悉的现实,除了所有物质都是“反”的,包含时间。虽然这只是一种想象,但就我们目前所知的是,反物质虽难以制造及发现,却真实存在。

反氢粒子被束缚住的模拟画面。 (Source:sciencealert)

要留下这种物质极为困难,当它们碰到一般物质时,就会产生极大能量并灰飞湮灭。自然界的环境不会出现反氢,因此需依赖粒子加速器来制造。1995年,欧洲核子研究组织(CERN)成功在瑞士日内瓦的研究所中,以射击反质子来制造反氢原子,而这些反质子是在粒子加速器中的氙原子团中产生的,当一粒反质子接近氙原子核时,会产生正负电子各一粒,正电子被反质子抓获时,便会产生反氢原子。由于每粒反质子能转化为反氢原子的机会率约为10-19,因此以这个方法去大量生产反氢原子,成本定会极为昂贵。根据NASA在1999年的估计,制造一克的反氢原子,耗资将达到96万亿美元。而即便你收集到了足够多的反物质来做实验,它们也在以极快的速度移动或转动,对于一些研究来说,这不是一个大问题。但是,如果你想测量重力对微小粒子的拉力,它就应该尽可能地保持静止。

我们已经借由通过各种环境吸收能量的方法,成功使普通物质处于实际的静止状态,而减慢反物质的速度是更为困难的挑战,为了让反物质尽量减速,α过程向反氢原子投掷光子来降低它们的速度,同时又必须保证不会无意中激起它们的能量反应。与一般氢原子相同,反氢原子也可以吸收并散射光子,借此失去或获得能量,只有当光的频率正确时,这种效应才会发生。

研究人员对激光光进行了恰到好处的调整,确保光子在遇到反氢原子时达到完美的频率,在大约十几次的碰撞后,反氢原子的速度仅剩下每小时50公里。有了这项新技术,我们可以解决长期存在的谜题,例如:反物质如何影响重力?反物质能帮助我们理解物理中的对称性吗?可以预期在一段时间内能够看到这些实验的结果,本篇研究论文发布在《自然》期刊上。

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