對氫的研究幾乎貫穿整個自然科學(xué)歷史，例如關(guān)于氫原子結(jié)構(gòu)的研究就是量子力學(xué)最重要的問題，今天科學(xué)圖騰就是氫原子模型。對氫原子核的研究直接導(dǎo)致NMR現(xiàn)象，今天我們使用的MRI技術(shù)就是檢測氫原子激發(fā)信號，到今天人類探索太空生命的核心技術(shù)仍然使用氫信號。當(dāng)然氫能源成為未來綠色能源也不是人類拍腦袋出來的想法?，F(xiàn)在的自然科學(xué)領(lǐng)域，仍然有許多圍繞氫的科學(xué)研究，一些屬于最高端的研究領(lǐng)域，例如最近有一項研究就是利用氫的結(jié)構(gòu)簡單，容易分析，來研究宇宙中為什么“反物質(zhì)不如正物質(zhì)多”整個疑問。
 

現(xiàn)代物理學(xué)中最大的謎團之一是，為什么宇宙似乎主要由物質(zhì)組成，而幾乎沒有反物質(zhì)。如果違背了電荷相對時間(CPT)對稱性這一自然屬性，就可以解釋這一觀察結(jié)果。在CPT對稱下，粒子及其反粒子的物理性質(zhì)是相同的。原則上講，宇宙大爆炸期間CPT對稱性的一個微小的違背可能是宇宙中缺少反粒子的原因。在《自然》雜志上的一篇論文中，阿爾法團隊報道了對反氫原子的高精度光譜測量。反氫原子是由一個反質(zhì)子和一個正電子(電子的反粒子)組成的原子。作者發(fā)現(xiàn)，反氫原子的能級之間的差距與之前在普通氫原子2- 4中測量到的能級之間的差距非常吻合，這對潛在的CPT違逆形成了強有力的約束。
 

使用單個粒子(如中性粒子、正電子粒子和反質(zhì)子粒子)對CPT對稱進行的測試沒有顯示出違反CPT的跡象。然而，對反氫的研究可能會探索在以前的試驗中沒有探索的因素的影響。
 

氫是最簡單的原子，它的性質(zhì)可以非常精確地計算出來。一個多世紀以來，對這種原子的研究一直是有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的突破性想法背后的推動力。氫的光譜在19世紀80年代得到了非常精確的測量，在20世紀10年代才得到定量的解釋。在20世紀20年代，原子結(jié)構(gòu)是量子力學(xué)公式的核心，也是將該理論推廣到相對論(快速運動)粒子的核心。物理學(xué)家威利斯·蘭姆在1947年意外發(fā)現(xiàn)了氫原子的2S和2P1/2激發(fā)態(tài)之間的能量缺口，這一發(fā)現(xiàn)推動了量子電動力學(xué)的發(fā)展。量子電動力學(xué)是描述粒子和光之間相互作用的理論。
 

這個能量缺口，被稱為蘭姆位移，存在于氫和反氫中。它主要來源于量子漲落，粒子-反粒子對在真空中自發(fā)地出現(xiàn)，然后立即相互湮滅。然而，它的大小微妙地受到影響，例如，質(zhì)子或反質(zhì)子的電荷半徑(電荷分布的空間范圍)、弱核力，以及可能是宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的來源的目前未知的現(xiàn)象。
 

目前的工作是在歐洲粒子物理研究所(CERN)的阿爾法實驗中完成的，CERN是位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理實驗室。一個叫做反質(zhì)子減速器的設(shè)備將反質(zhì)子送到這個實驗中，其中的放射性鈉源提供正電子。每隔幾分鐘，就有9萬個冷反質(zhì)子和300萬個正電子混合在一個復(fù)雜的帶電粒子阱中。這個過程產(chǎn)生了大約20個冷的反氫原子，然后被限制在由超導(dǎo)磁體制成的中性原子阱中。這些反氫原子可以被儲存至少60個小時，并且可以重復(fù)生成數(shù)百個這樣的原子。
 

本研究的目的是測量1S基態(tài)與反氫的2P1/2和2P3/2激發(fā)態(tài)之間的能量差異(圖1)。ALPHA合作項目使用了一種被稱為激光光譜學(xué)的方法，其中包括向反氫阱注入激光脈沖。這種注入導(dǎo)致原子從1S態(tài)轉(zhuǎn)變到2P1/2或2P3/2態(tài)，隨后又衰減回1S態(tài)。那些最終處于1S態(tài)的不同的磁亞態(tài)的原子被從磁中性原子阱中驅(qū)逐出來。這些反氫原子在與阿爾法裝置壁上的普通原子接觸后湮滅，產(chǎn)生一種叫做帶電粒子的粒子。
 

圖1反氫原子的最低能態(tài)。
 

阿爾法團隊對氫的反物質(zhì)進行了高精度光譜測量。具體來說，該團隊確定了1S基態(tài)與反氫原子的2P1/2和2P3/2激發(fā)態(tài)之間的能量差異。他們利用這些結(jié)果來估計精細結(jié)構(gòu)的分裂(2P1/2-2P3/2的能量缺口)。他們還將之前對1S和2S狀態(tài)之間的能隙的測定與目前對1S - 2p1 /2能差的測量結(jié)合起來，推斷出了蘭姆位移(2S - 2p1/2能隙)。作者發(fā)現(xiàn)所有這些結(jié)果都與普通氫的相應(yīng)結(jié)果一致。
 

阿爾法合作繪制了觀察到的帶電粒子的數(shù)量作為激光頻率的函數(shù)。然后他們利用圖中兩個峰的位置推斷出反氫原子的1S-2P1/2和1S-2P3/2的能量差異。這些差異與在普通氫中測量到的十億分之16的差異是一致的。作者利用他們的研究結(jié)果估計了反氫原子的精細結(jié)構(gòu)分裂(2P1/2-2P3/2能量差)，不確定度為0.5%。這個值和普通氫的值是一致的。
 

在2018年，阿爾法團隊測量了反氫原子11的1 / 1012的1 / 2的1S和2S狀態(tài)之間的能量差距。在目前的工作中，作者將這一結(jié)果與他們對1S-2P1/2能量差的測量結(jié)合起來，以提供反氫原子中的蘭姆位移的估計。該值的不確定度為11%(若采用普通氫的精細結(jié)構(gòu)分裂進行分析，不確定度為3.3%)。
 

在過去的幾年里，高精度激光光譜反氫原子已經(jīng)成為可能，阿爾法合作已經(jīng)取得了驚人的進展。對反氫原子中幾個躍遷的研究將使CPT對稱性、量子電動力學(xué)和粒子物理標準模型的定向測試成為可能。例如，如果蘭姆位移的測量不確定度小于104分之一，就可以確定反質(zhì)子的電荷半徑。此外，改進后的反氫中磁性亞態(tài)之間的能隙測量將提供有關(guān)反質(zhì)子13的磁性結(jié)構(gòu)的詳細信息。
 

未來，用于光譜分析的激光將通過誘導(dǎo)1S-2P1/2和1S-2P3/2躍遷來冷卻反氫原子。這種冷卻將大大提高所有反氫光譜實驗的可達精度。此外，超冷反氫可以用來研究重力對這些原子的影響。冷的反氫因此帶來了很多很酷的結(jié)果。
 

doi: 10.1038 / d41586 - 020 - 00384- y
 

上內(nèi)容摘自《孫學(xué)軍 氫思語》，僅限于知識科普，不代表對本公司產(chǎn)品的宣傳。