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測量反氫原子的光譜

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撰文者:陳勁豪 博士(臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2017-01-09
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  • CERN的ALPHA實驗發表了對反氫原子的光譜測量結果。結果顯示與氫原子的光譜測量結果一致。

    在粒子物理的標準模型裡面,所有的物質都有一個相對應的反物質。物質跟反物質的所有物理性質,例如質量,電荷量等,統統相同,唯一的差別僅在於所帶的電荷相反。當物質與反物質相結合的時候,會相互湮滅而產生兩個光子。這個正反物質的對稱性又稱為CPT對稱。這邊的CPT分別代表電荷共軛(C),宇稱(P),時間反演(T)。
    3D_image_of_Antihydrogen
    氫原子與反氫原子的3D圖像(圖片來源:Wikicommons)
     
    但是對物理學家來說,有了理論預測還不夠,他們希望能夠對所有可見的反物質進行精密測量,把測量到的反物質性質與已知的物質相互比較,看看兩者是否如理論預期一樣一致。如果兩者的結果不一致,那麼表示正反物質之間可能帶有未知的差異,將會暗示新物理的存在。

    氫原子的光譜是物理學家所可以作到的最精準的測量之一,同時氫原子的光譜也是少數物理學家可以精確計算的數值,精準度可以到1015分之一的水準。在理論與實驗的相互印證下,物理學家對氫原子的光譜有著相當清楚的認識。因此物理學家希望能夠對反氫原子進行類似的光譜測量。透過精密的光譜量測,任何微小的差異都可以被偵測到。

    位於瑞士CERN的ALPHA實驗日前發表了最新的研究結果,他們對反氫原子的1S-2S光譜進行了仔細的測量。測量反氫原子的光譜相當困難。反氫原子是由反質子與正電子所結合而成。正電子相當容易產生,但是反質子在自然界中完全無法自然存在。在CERN的實驗中,反質子是由質子同步加速器(Proton Synchrotron, PS) 所產生的高能質子束撞擊金屬靶後所產生的次級粒子中收集而得。這些經由撞擊而產生的反質子能量太高,需要透過反質子減速裝置(The Antiproton Decelerator) 減速之後,才能與正電子混合,進而形成反氫原子。減速裝置大概每次可以產生約90000個反質子,與正電子混合後,約可以產生24000個反氫原子。

    形成反氫原子後,由於反氫原子為電中性,ALPHA實驗的科學家利用磁阱來限制反氫原子的行動,一方面避免反氫原子與物質結合而湮滅,一方面讓物理學家能夠更容易量測其光譜。他們利用雷射測量反氫原子1S-2S的光譜至精準度為2 x 10-10的水準。雖然比氫原子的精準度差了十萬倍,不過已經是目前對反氫原子的光譜最精準的測量。而且結果顯示兩者在實驗誤差內一致。

    物理學家的下個目標是提昇對反氫原子光譜測量的精密度。目前距離氫原子的精準度還差了十萬倍,所以還有相當大的挑戰空間。配合其它關於反氫原子實驗的結果,物理學家將可以對正反物質的性質進行精準的測量。


    原始論文
    M. Ahmadi et al., "Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen", Nature (2016). doi:10.1038/nature21040 
    http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature21040.html
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    Physics World 2016/12/19: Antiatoms yield their first optical spectrum
    http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/19/antiatoms-yield-their-first-optical-spectrum
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