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Nature:激光冷却反氢原子
发布:HPLlaser
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时间:2021-04-08 21:44

距研究人员成功制造出反氢原子已有25年以上的历史,但到目前为止,人们仍无法对其按照普通氢的测量方式来获得其跃迁光谱。瑞士CERN实验室的研究人员已经展示了如何使用紫外线激光脉冲来冷却抗原子物质并潜在地降低关键跃迁频率的不确定性(Nature,doi:10.1038 / s41586-021-03289-6) 。

反氢原子由与反质子结合的正电子组成,并于1995年被首次成功制造。这些反氢原子提供了一种新的研究物质和其反物质行为的方式——反物质光谱法:对反物质的跃迁频率进行精确的测量,并将其结果与标准的氢进行比较,并从中研究两者之间的差异。

然而,目前,反物质光谱法的问题是参照物的光谱精确度不足。尽管科研人员在2015年确定了普通氢中1S–2S的跃迁频率,不确定性仅有几分之一的,但相同量的反氢原子光谱精度却低了1,000倍。这种差异主要是由于样本量的巨大差异所致。在使用反氢原子的情况下,每次只能检测大约几百个原子,而在普通氢上进行实验时,每秒大约有10^15个原子被检测。

基于此问题,研究人员提出冷却氢可以起到弥合差距的作用,因为这既可以提高精度,又可以减少一些系统误差源。考虑到可用原子的稀有性,将蒸发作为冷却的方式被排除了。因此,科学家们转而使用基于激光的冷却技术,该技术已经使用了30多年,可以实现将普通物质的温度降低到比绝对零值高出几分之一度的程度。具体方案是将一定频率的光子对准反原子,以便入射光子被吸收并给反原子引入一些负动量。一旦原子下降到其原始能量水平,其速度变慢。在这种情况下,跃迁频率对应于1S–2P Lyman-alpha跃迁,且该频率会略微减小以校正入射光子的多普勒频移。

欧洲核子研究组织(CERN)反质子减速器的实验室。

欧洲核子研究中心(CERN)的反氢激光物理仪器(ALPHA)实验通过使用电磁阱收集反原子,然后将实验室的反质子减速器中的反质子与来自钠22的正电子结合起来。然后,由于粒子的微小磁偶极矩,它可以用磁性将中性原子固定在适当的位置。在最新工作中,丹麦的Jeffrey Hangst和ALPHA的研究人员使用来自专用激光器的真空紫外线脉冲将这些原子冷却下来。产生和分配这种辐射非常苛刻,因为目前没有对应波长的激光器或非线性晶体

由加拿大不列颠哥伦比亚大学的研究人员Takamasa Momose设计的解决方案包括,用二极管激光器在可调谐的730 nm辐射下注入两个钛-蓝宝石晶体,同时用Nd:YAG激光器的纳秒脉冲泵浦它们。产生的脉冲在β硼酸钡晶体中倍频,然后在高压Kr和Ar环境中产生并输出的三次谐波,即得到了波长可以在Lyman-alpha跃迁的121.6 nm附近变化的激光脉冲。

ALPHA已经使用激光激发这种特殊的跃迁,并测量反氢原子的精细结构和兰姆位移。这是这种装置首次用于冷却反原子物质,从而增加了可随时存储在其陷阱中的反氢原子数。现在,该装置每四分钟可以产生10到30个反原子,然后在几个小时的过程中将不同批次的粒子合并在一起,总共产生约1000个反原子。

研究人员分别使激光红移和蓝移,然后比较每种情况下的共振宽度,结果这些变化可以降低抗原子沿着激光轴的速度。此外,他们通过记录抗原子到达陷阱壁并湮灭所需的时间,他们还发现了原子横向速度的明星降低,即实现了三个维度上的冷却。研究人员表明这可能是由于陷阱的磁势不对称造成的。

此外,研究人员还使用冷却的抗原子来探测1S–2S跃迁。他们发现,在这种情况下,光谱线比没有激光冷却时的光谱线窄约四倍。能够产生更小,更密和更冷的反氢物质,也将有益于使用这些原子探测物质和反物质的行为中。除此之外,操纵反原子运动可能会导致反物质喷发以及干涉物质分子的产生。

目前,研究人员正在升级其激光系统,以增加其脉冲的能量和速率,且下一步是优化波长失配频率以及陷阱的磁场装置,从而保证这些参数可以在实验过程中得到调控。

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