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  • 重磅!首次在反物质中,测量到量子效应,或将动摇粒子标准模型

    欧洲核子研究中心(CERN)研究首次对反氢(氢的反物质对应物)能量结构中某些量子效应的测量,这些量子效应已知存在于(正)物质中,研究它们可以揭示物质和反物质行为之间尚未观察到的差异,其研究成果现在发表在《自然》期刊上的一篇论文中,研究结果表明:这些最初的测量结果与对“正”氢的影响理论预测是一致的,并为更精确地测量这些和其他基本量铺平了道路。

    重磅!首次在反物质中,测量到量子效应,或将动摇粒子标准模型

    欧洲核子研究中心阿尔法实验发言人杰弗里·汉斯特(Jeffrey Hangst)表示:发现正反物质之间的任何不同,都将动摇粒子物理标准模型的基础,而这些新的测量结果探索了反物质相互作用的各个方面(比如兰姆位移),这是物理学家长期以来一直期待解决的问题。下一项任务是使用最先进的激光冷却技术冷却大量反氢(反物质)样品。这些技术将改变反物质研究,并能对物质和反物质进行前所未有的高精度比较。

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    阿尔法团队通过将欧洲核子研究中心(CERN)反质子减速器提供的反质子与反电子(通常称为“正电子”)结合起来,产生反氢原子。然后将反氢原子限制在超高真空中的磁阱中,从而防止反氢原子与(正)物质接触并湮灭。然后,激光照射到被捕获的原子上,以测量它们的光谱响应。

    这项技术有助于测量已知的量子效应,如所谓的精细结构和兰姆位移,这些效应对应于原子在某些能级上的微小分裂,并在这项研究中首次在反氢原子中进行了测量。

    重磅!首次在反物质中,测量到量子效应,或将动摇粒子标准模型

    该团队之前曾使用这种方法测量反氢的其他量子效应,最新是对莱曼-阿尔法转变的测量。这种精细结构是在一个多世纪前用原子氢测量的,并为引入描述基本带电粒子之间电磁相互作用强度的自然基本常数奠定了基础。

    兰姆位移是大约70年前在同一系统中发现的,是量子电动力学(物质和光如何相互作用的理论)发展中的一个关键因素。兰姆位移测量为威利斯·兰姆赢得了1955年的诺贝尔物理学奖,1947年在著名的庇护岛会议上报道了这一测量结果,这是战后美国物理界领袖首次有机会聚集在一起。

    理论和技术说明

    精细结构和兰姆位移都是原子在某些能级(或谱线)上的小分裂,可以用光谱学来研究。在没有磁场的情况下,氢的第二能级精细结构分裂是所谓的2P3/2和2P1/2能级之间的分离。分裂是由原子的电子速度和其本征(量子)旋转之间的相互作用引起。“经典的”兰姆位移是2S1/2和2P1/2能级之间的分裂,也是在没有磁场的情况下,这是真空中虚光子进出时的量子涨落对电子影响的结果。

    重磅!首次在反物质中,测量到量子效应,或将动摇粒子标准模型

    在新研究中,阿尔法团队通过诱导和研究在磁场为1特斯拉情况下反氢最低能级与2P3/2和2P1/2能级之间的跃迁,确定了精细结构分裂和兰姆位移。使用之前测量的1S-2S跃迁频率值,并假设某些量子相互作用对反氢是有效的,研究人员从研究结果中推断出精细结构分裂和兰姆位移的值。发现,在精细结构分裂的实验不确定度为2%,兰姆位移的实验不确定度为11%范围内,推断的值与“正”氢中分裂的理论预测一致。

    重磅!首次在反物质中,测量到量子效应,或将动摇粒子标准模型

    博科园|研究/来自:欧洲核子研究中心

    参考期刊《自然》

    DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5

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