六个国际团队为解决宇宙中最深层的问题而奋斗 - News - Science Network

　　欧洲核子研究中心的实验室有唯一的反质子反质子配对。资源。图片来源：Maximilien Brice / CERN

　　在欧洲核子研究中心（CERN）的一个非常高的天花板仓库里，六项竞赛实验正在竞相发现宇宙中最有力的材料。这些实验被隔开了几米，几乎堆迭在一起，每一个都像一个购物中心里面的金属光泽一样，其混凝土的数量有点可怕地悬在头顶上。

　　我们经常提醒对方。领导AEGIS的物理学家Michael Doser说，这个实验是第一个发现反物质如何对重力做出反应的实验。

　　配音师别无选择，只能感觉舒适。瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室欧洲粒子物理研究所（欧洲粒子物理研究所）为世界上唯一一个除电荷和自旋以外都具有类质子粒子的反质子源感到自豪。这个实验室的反质子探测器是一个182米长的环形装置，它的颗粒像实验室里更大，更有声望的兄弟机器人大型强子对撞机（LHC）一样，来源于同一个加速器，反质子进入装置速度接近光线，探测器减慢粒子速度并提供一系列反质子流，然后依次进行实验，所有这一切都必须小心谨慎，因为遇到问题后，这些反粒子会消失一点点能量。

　　几十年来，科学家们一直在努力确定反质子和反氢原子，使他们能够形成足够长的时间来进行研究。近几年来，相关研究得到迅速发展。实验专家现在可以控制足够的反粒子，开始认真研究反物质的稀有镜面效应，并对其基本特征和内部结构进行更准确的测量。领导ALPHA实验的Jeffrey Hangst说，至少在原则上，他的团队现在可以使用反氢原子做氢原子可以做的任何事情。对我来说，这个阶段是我25年来克服的目标。他说。

　　欧洲核子研究中心的数十位物理学家知道他们仍然面临着严峻的挑战：反物质研究非常困难，团队之间的竞争非常激烈，发现任何新事物的可能性都很低。然而，欧洲核子研究中心的反物质研究人员仍然为在宇宙中打开新窗口的兴奋感到鼓舞。

　　重要事实

　　反物质的物理学根源可以追溯到1928年，当时英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）写了一个描述电子几乎以光速运行的方程。狄拉克认识到他的方程应该有一个正面的，一个负面的，两个解决方案。然后他解释了这个数学模型，表明存在一个反电子，现在称为反质子，从理论上得出结论，每个粒子都有一个反物质等价物。

　　实验物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在1932年证实了反质子的存在，当时他发现了一个类似电子的粒子，但是当它通过磁场时，轨道弯曲的方向相反。物理学家很快意识到反质子通常是以碰撞模式产生的：撞击粒子具有足够的能量，其中一些可以转换成物质反物质对。

　　到了20世纪50年代，研究人员开始探索这个能量粒子的转变，形成一个反质子。反物质猎人需要一种大规模减缓或冷却粒子的方法。欧洲核子研究中心（CERN）首次在1982年第一次致力于放慢和储存LEAR反物质。 1995年，在LEAR计划关闭之前的一年，一个小组利用装置中的反质子产生了第一个反氢原子。

　　研究比赛

　　欧洲核子研究中心的反物质研究最终将会与反质子和离子研究设施竞争，例如德国达姆施塔特达姆施塔特国际加速器中心的一个价值11.6亿美元的国际加速器组合，将于2025年前后完成。然而，欧洲核子研究中心现在垄断了反质子可以在足够慢的生产速度下用于研究。

　　今天，反物质设施已经进行了五次实验（另外，GBAR正在建设中）。每个实验都有其独特的反质子研究方法。尽管这些实验中有一些是独特的实验，但它们经常为了相同的特性而竞争，并独立地验证彼此的研究价值。

　　这些实验要求共享颗粒流，这意味着五个试点项目中只有三个能够在两周内实现离子流动时间，并且这些实验每8小时交替一次。一个为期一周的协调会议将确保每个实验都知道它的邻居是在什么时候运行磁场，以免破坏极其敏感的测量。虽然地理位置如此接近，但这些团队经常通过阅读一篇文章来了解邻居的突破性进展他们的日记，这是非常好的，它是基于竞争，你可以激发和激励人们。

　　第一个反质子原子是利用运动中的反质子产生的，持续时间约为400亿分之一秒。 2002年，ATRAP和ALPHA先驱ATHENA的两次实验成为第一个将反质子速度降低到足以产生大量反氢原子的设施，每个反原子积聚数千个这样的原子。一个重要的进步是从那以后的近10年，当时这个团队在几分钟之内就猜测了连续的一系列反原子。然后测量他们的特征，如电荷和质量，并用激光探测能量水平。最近，ALPHA报道了其最新进展：反氢原子精细结构的最精确测量，反质子与正电子之间相互作用导致的内部能量转移较弱。

　　CERN的所有实验都在探索一系列反物质特性，其中任何一个都显示出物质差异。反物质专家，ASACUSA（激光研究反原子飞行以避免陷阱破坏力）的领导者Masaki Hori说，他们的目标是继续缩小不确定性。

　　显着的影响

　　如果这些实验的目的是发现物质和反物质之间的任何差异，那么这将是一个革命性的发现。这意味着违反了一个称为收费，平价和时间逆转（CPT）的对称原则。按照这个原理，充满反物质和时间倒流的充满镜子的宇宙将具有与地球相同的物理定律。 CPT的对称性是相对论和量子场等理论的支柱。打破它意味着打破物理。事实上，只有外生理论预言反物质实验才能找到一些东西。

　　为此，大型强子对撞机物理学家倾向于瞧不起隔壁的反事物研究人员。曾经从事反物质工作30年的杜塞尔说：“他们认为这项研究很有意思，但不太可能产生新的发现。

　　然而，LHC在揭开反物质神秘面前表现得更好。可以追溯到20世纪60年代的实验表明，一些物理过程，例如抗K介子衰变成更熟悉的粒子，在物质的形成方面呈现出微妙的偏差。大型强子对撞机的实验一直在寻找更多的相似的偏见，早期宇宙中大量未被发现的粒子的行为或者仍然存在的巨大的物质反物质失衡。这就是推测类似粒子存在的原因：它们是由超对称理论预测的，它将粒子物理领域中令人困惑和松散定义的结果联系在一起。

　　但在过去八年的探索中，并未出现任何类似的粒子。现在，几乎已经排除了从一开始就有趣的超对称性最简单最微妙的观点。现在，LHC正在寻找假想的粒子，这个粒子可能存在也可能不存在，而且几乎没有理论指导。在一定程度上，这是我们在同样的情况。

　　上下翻转

　　和以前一样，测量自由落体运动中反氢原子的问题之一就是使其足够的冷却。即使最轻微的温度波动也掩盖了原子落下的信号。只能使用中性粒子如反氢原子，因为即使是远距离的电磁场源也能使带电粒子的接触力大于重力。

　　明年，Hangst的团队计划使用经过验证的垂直版本的ALPHA实验，以获得关于反物质是否升高或降低的明确答案。

　　到今年年底，GBAR将首先受益于ELENA，一个价值2600万美元的圆形30米圆周设备，旨在进一步减缓该设备的反质子，实验。最后，ELENA会放慢七倍，达到更清晰的粒子。因为它们会更早被更有效地冷却，实验将会捕获更多的这种类型的粒子。

　　Hangst说，现在团队已经准备好操纵和验证反物质，越来越多的物理学家对这项工作感兴趣。如果没有技术上的僵局让实验陷入停滞状态，加斯认为，到20年代后期，物理学家将对反物质的反应变得足够敏感，从而完成一系列原子物理学方面的专长，包括反物质原子钟的构建。现在我看到了很多的想法出来，这个领域正在迅速向前发展。他说，我希望欧洲核子研究组织（CERN）永远不会把我踢出去，因为我已经有了一个30年的研究计划。 （金楠汇编）