对反物质的深入探索将爱因斯坦的狭义相对论置于考验之中

经过数十年的努力,物理学家通过首次测量它们吸收的特定波长的光来探测反氢原子的内部工作 - 反物质形式的氢。 这一进展为精确比较氢和氢反应开辟了道路,奇怪的是,它试验了狭义相对论 - 阿尔伯特爱因斯坦111年前的理论,即空间和时间对于观察者彼此相对移动的看法,除其他外,他说没有什么能比光更快地移动。

“这是一个令人惊叹的结果,”布鲁明顿印第安纳大学的理论家艾伦科斯特莱克说,他没有参与这项工作。 几十年来,实验者一直梦想着测量反氢吸收的光谱,Kostelecky说。 “就是这样。他们现在正在做。”

正如氢原子由与质子结合的电子组成,反氢是与反质子结合的反电子(或正电子)。 当然,反氢在自然界中不会发生。 因为物质和反物质粒子相互湮灭,所以一旦触及物质,反氢就会消失。 所以物理学家必须在实验室中制作这些东西。 他们仍然期望反氢的性质与氢的性质完全相同。

准确地解释为什么狭义相对论需要反物质来反映物质需要大量的数学运算。 但简而言之,如果这种镜像关系不准确,那么狭义相对论背后的基本思想就不可能完全正确,Kostelecky说。 狭义相对论假设一个称为时空的统一事物在观察者相对移动的空间和时间上分别不同。 它假定观察者既不能说出谁在移动,谁在静止。 但是,如果物质和反物质不相互反映,那就不可能完全正确。

这就是物理学家一直渴望测量反氢谱的原因。 氢原子不能吸收或发射任何旧波长的光。 相反,它只能吸收或发射某些不同波长的光,因为它中的电子从一个量子能级跳到另一个 - 一个世纪以前的事实刺激了量子力学的发明。 如果相对性是正确的,那么氢和反氢的波长必须完全相同。

现在,丹麦奥胡斯大学的Jeffrey Hangst和其他53名物理学家进行了一项名为ALPHA-2的实验测量了反氢吸收的光的波长,因为正电子中的正电子在两个特定水平之间跳跃 - 即所谓的1s和2s水平。 他们在瑞士梅林的欧洲粒子物理实验室工作,他们在今天的“ 自然”杂志在线报道,将这些“光谱线”测量到100亿分之几的精度。 在氢气中,该生产线的精确测量值高达100,000倍。 Hangst说,结果仍然标志着反氢光谱学的开始。 “我已经工作了20多年才达到这一点。

为了制造反氢,物理学家利用电场在圆柱形阱的相对两端捕获了大约160万个正电子和90,000个反质子。 他们将正电子和反质子结合在一起形成大约25,000个不带电荷的反氢原子,他们立即试图用磁场捕获它们。 他们每次试验约有14个原子。 每次使用的反氢气量比2012年生产的反硝化油多10倍,当时它首先用无线电波搔动反氢原子。

如果他们使用氢气,物理学家可以用电来激发原子,并分析它们辐射的光。 由于反氢原子很少,他们不得不做一些更微妙的事情。 他们通过激光器调整激光器以激发反物质原子。 一旦被激发,原子就可以“放松”回到原始状态。 或者它可以吸收另一个光子并失去其正电子或以一种可以翻转正电子旋转的方式放松。 最后两种可能性会改变原子,使陷阱不再持有它。

结果,Hangst和公司可以通过将激光照射在它们上10分钟然后计算陷阱中留下的原子来确定原子是否吸收了光。 他们只是关闭了陷阱,让剩下的反原子漂浮在周围的粒子探测器中。 “反氢原子在你的脸上爆炸,”Hangst说,“所以你可以计算它们中的每一个。”研究人员比较了激光调整到正电子跃迁的情况与激光的时间之间的计数。远离它,或者离开了。

Kostelecky说,粗略的第一次测量已经测试了狭义相对论。 1997年,他开发了一个名为标准模型扩展(SME)的理论框架,该框架以流行的粒子物理学理论开始,并包含了对狭义相对论背后概念的所有可能违反。 然而,他说,因为有许多类型的粒子,所以没有单一的确定性原理测试。 例如,其他物理学家比较了称为K介子及其反粒子的粒子的质量和寿命。 但Kostelecky说,这些比较测试了中小企业的不同部分。

Hangst表示,ALPHA-2物理学家可以通过在1s-2s过渡期间仔细扫描激光波长来改善测量,就像他们计划明年做的那样。 他们计划测量其他光谱线,甚至测试反氢的重力拉力 - 看它是否被拉下或向上推。