前沿科技之首次測量反原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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轉(zhuǎn)自旋所需的微波輻射頻率，可直接測量反氫原子兩種超精細(xì)狀態(tài)之間的能量差異。

上部，截面示意圖是反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器的反物質(zhì)陷阱，顯示的是超導(dǎo)八極磁鐵（octupole magnet）和鏡像磁鐵以及其他功能組件。下部是陷阱內(nèi)的磁場強(qiáng)度地圖。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是測量反氫原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，就在陷阱中心，這里的磁場強(qiáng)度最小。

日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）的反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器（ALPHA ：Antihydrogen Laser Physics Apparatus）合作取得了另一項(xiàng)革命性突破，就是在反物質(zhì)前沿，有史以來第一次用光譜測量反氫原子的內(nèi)部狀態(tài)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在即將出版的一期《自然》雜志上，題為《共振量子轉(zhuǎn)移的受陷反氫原子》（Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms），3月7日在網(wǎng)上發(fā)表。
普通的氫原子是宇宙中最豐富的，也是最簡單的，它是如此簡單，事實(shí)上，一些最根本的物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)，就是因?yàn)闇y量微小的能量轉(zhuǎn)移，這種能量轉(zhuǎn)移來自氫質(zhì)子核與單軌道電子之間的磁場和電場相互作用。
$ B" M2 A$ C6 {$ g另一方面，反氫原子是罕見的，它是單軌道正電子（反電子）圍繞單一反質(zhì)子旋轉(zhuǎn)，難以制作，更難以保存。事實(shí)上，反氫原子以前從未被捕捉到，直到2010年，反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器才成功地捕捉到。
在最近的一系列試驗(yàn)中，反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器研究人員創(chuàng)造和捕獲到數(shù)百個反氫原子，保存在磁瓶內(nèi)，然后研究它們的內(nèi)部狀態(tài)，這需要用微波輻射照射它們，翻轉(zhuǎn)正電子的自旋，使原子瞬間彈出磁陷阱（magnetic trap），并使它們在陷阱壁上湮滅。
當(dāng)然，電子和正電子都并不是真的自旋。“自旋”這一名稱是指一些粒子的內(nèi)部量子狀態(tài)，只有兩個值，就是向上和向下。在氫原子中，電子和質(zhì)子自旋態(tài)的相互作用，會撕裂基態(tài)，就是原子的最低能量，這被稱為超精細(xì)分裂（hyperfine splitting）；在天文學(xué)中，超精細(xì)分裂是21厘米氫射線特征徑跡（signature 21-centimeter emission line of hydrogen）的來源。
反氫原子應(yīng)具有同樣的屬性，翻轉(zhuǎn)自旋所需的微波輻射頻率，可直接測量反氫原子兩種超精細(xì)狀態(tài)之間的能量差異。
! x2 Q( M1 A/ `5 g“要測量反氫原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，我們就要調(diào)整微波頻率，”喬納森•吳泰爾（Jonathan Wurtele）說，他是加速器和聚變研究部（AFRD：Accelerator and Fusion Research Division）的成員，屬于美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory），也叫伯克利實(shí)驗(yàn)室，他也是加州大學(xué)伯克利分校（University of California at Berkeley）物理學(xué)教授，是反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器合作組織長期成員。截至目前，測量是不精確的，因?yàn)槟芰坎町惖拇笮∪Q于磁場的大小，就是指反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器中反氫原子阱中的磁場，但是，吳泰爾說，“我們的最新實(shí)驗(yàn)儀器正在制造中，而這些初步實(shí)驗(yàn)表明，我們'很快就會有技術(shù)，進(jìn)行精確的測量。”
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如何捕捉反原子

伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們起到了關(guān)鍵作用，他們設(shè)計(jì)和模擬了反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器的最低磁場陷阱（Minimum Magnetic Field Trap），這是一種磁瓶，創(chuàng)造它需要超導(dǎo)磁體，磁體的磁場可以捕捉和保存反氫原子。盡管是電中性的，但是，分離反原子中帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和帶正電的正電子，還有它們的自旋，就會使它們有一個磁矩。因此，只要它們的運(yùn)動不是太快 ，就很容易被陷阱的磁場捕捉。
3 k. ~. q% X9 ~9 A- y* C  P/ R; H研究反物質(zhì)的一個好處是，很容易研究單個原子，普通的氫就不是這樣的情況。喬爾•法建安（Joel Fajans）是反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)始成員，也是加速器和聚變研究部的成員，還是加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授，他解釋說，如果想要用類似的陷阱捕獲普通氫原子，“這些陷阱的真空管中總是殘留著氫，這樣，怎么才能分開刻意捕捉的氫與背景中的氫？”
但是，法建安說：“捕獲反氫原子不能靠碰運(yùn)氣；它就是不會自然出現(xiàn)。”就像所有形式的反物質(zhì)一樣，反氫原子不能與正常物質(zhì)共同存在，因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)會相互湮滅，爆發(fā)出一陣能量，只要它們一接觸就會這樣。
反氫原子實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)包括，在插入實(shí)驗(yàn)探針時，不能干擾陷阱中精美平衡的磁場。在過去幾個月中，反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器研究人員已經(jīng)能夠改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，把微波輻射引入陷阱的內(nèi)部。在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們使用了兩種不同的方法收集數(shù)據(jù)，一種方法被稱為消失法（disappearance method），另一種稱為出現(xiàn)法（appearance method）。
% Q8 q; P" H3 S, }) g7 x( t“消失法”依靠建立平均數(shù)量的反原子，這些反原子在一次操作中被捕捉，需要突然切斷陷阱內(nèi)的超導(dǎo)磁鐵電源，統(tǒng)計(jì)反原子數(shù)量，因?yàn)樗鼈儠螠缭趯?shí)驗(yàn)中的普通物質(zhì)壁上，時間只有3萬分子一秒，就是磁鐵斷電的時間。在這些試驗(yàn)中，微波開啟時采用所謂的共振頻率，根據(jù)計(jì)算，這種頻率可以翻轉(zhuǎn)正電子的自旋；在其他試驗(yàn)中，微波開啟，但不在共振頻率；還有一些試驗(yàn)，微波完全不開啟。
比較結(jié)果表明，共振頻率測試中，反原子能夠存活的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他兩種情況，這就證實(shí)，這確實(shí)是正確的頻率，可以翻轉(zhuǎn)它們的自旋，并彈出原子。
“出現(xiàn)法”測試更直接，反原子捕捉在陷阱中可長達(dá)三分鐘，研究人員計(jì)算的每個湮滅，都是因?yàn)槲⒉ǚD(zhuǎn)自旋，而反原子逃出陷阱。
, Q2 o8 ?+ L9 ^) ~0 V- q0 Y/ M+ W; L“一個問題是，有時，反氫原子湮滅可以模仿宇宙射線，”法建安說。“協(xié)作小組中，博士后西蒙娜•斯特拉卡（Simone Straka）研究我們的計(jì)數(shù)算法，這會犧牲一些性能，以檢測到所有的湮滅，它看起來應(yīng)像一次完美的反氫原子湮滅，否則就不被計(jì)入，這就提高了10倍的精度，使我們知道，我們并沒有被宇宙射線所迷惑。然后，我們會開啟微波，翻轉(zhuǎn)自旋，繼續(xù)觀察湮滅。”
. j5 b: w1 W. e6 E" M8 w2 Y仍然存在較大的不確定性。理想的情況下，受影響的反原子處于陷阱正中心，那里磁場最小。但是，在離開最低處的每一個方向，磁場都會增加，而磁鐵的電流還不完全清楚。磁場強(qiáng)度影響共振頻率，因此，研究人員必須找到一些方法，在每個反原子翻轉(zhuǎn)的地方，精準(zhǔn)測量磁場強(qiáng)度。
其他方法包括測量反氫原子光譜的能量變化，這更微妙，和更難以察覺，但不會受磁場影響。 法建安和吳泰爾也期待改進(jìn)反氫激光物理實(shí)驗(yàn)儀器，使被困的反原子在探測時，可以不用微波，而用激光束，法建安說，這“使我們能夠測量反氫原子的能級，我們會有效地看到反氫原子發(fā)光是什么顏色。”激光器也可以操縱單個原子，而且具有特殊的方式，比如可以冷卻它們，使它們變得幾乎靜止，這就可以更加精確地測量它們的性能。
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物質(zhì)和反物質(zhì)實(shí)際上一樣嗎？

“我們有充分的理由相信，氫原子和反氫原子是相同的，只是一個是由物質(zhì)組成，另一個是由反物質(zhì)組成。”法建安說。“事實(shí)上，CPT（charge conjugation  parity, time reversal）實(shí)驗(yàn)堅(jiān)持認(rèn)為它們是相同的。但是，如果他們不相同的話，會怎么樣？”
CPT指的是電荷共軛（C：charge conjugation），宇稱（P：parity）和時間反轉(zhuǎn)（T：time reversal），這是事物的一種對稱狀態(tài)，其中的物理定律是相同的，在這里的世界，電荷特征翻轉(zhuǎn)，左右顛倒，時間向后逆轉(zhuǎn)。
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超精細(xì)能級：圖中對比磁場中氫原子和反氫原子基態(tài)的相對超精細(xì)能級，來源：歐洲核子物理研究中心

曾分別觀察到違反電荷共軛和宇稱的現(xiàn)象，但是，考慮到時間方向可逆，三者合計(jì)的對稱性似乎就可以維持。CPT鏡像世界遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是普通現(xiàn)實(shí)的完美反射，但是，也許更像游樂園大廳里的一面鏡子，因?yàn)榉礆湓庸庾V不同于普通氫原子光譜。
如果反氫原子光譜不同于普通的氫，那影響范圍就會從微乎其微的地方擴(kuò)大到整個宇宙。“如果我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)差異，”吳泰爾說，“人們會感到震驚，但我們永遠(yuǎn)不會發(fā)現(xiàn)，除非我們進(jìn)行測量。”
) Y+ t7 v6 h! {" ]! _在宇宙中，為什么有這么多的普通物質(zhì)，而只有這么少的反物質(zhì)，長期以來，這個謎團(tuán)一直在考驗(yàn)使理論家，同樣也在考驗(yàn)實(shí)驗(yàn)人員。至少可以想象，部分答案就在于反氫原子光譜。如果是這樣，那反氫原子物理實(shí)驗(yàn)一起合作研究就很對路，正在找到它。

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