反物质实验显示接近绝对零的惊喜

几十年来，研究人员在寻找新的物理定律时一直在玩弄反物质。这些定律将以力或其他现象的形式出现，这些现象强烈支持物质而不是反物质，反之亦然。然而物理学家并没有发现任何问题，也没有确凿的迹象表明反物质粒子——它们只是熟悉粒子的带相反电荷的双胞胎——遵循不同的规则。

那没有改变。但是在进行精确的反物质实验时，一个团队偶然发现了一个令人费解的发现。当沐浴在液氦中时，由物质和反物质组成的混合原子行为不端。虽然从炖菜中受到冲击会使大多数原子的特性陷入混乱，但混合氦原子却保持着不太可能的均匀性。这一发现出乎意料，以至于研究小组花了数年时间检查他们的工作，重做实验，并就可能发生的事情争论不休。最后确信他们的结果是真实的，该小组今天在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。

瑞士 Paul Scherrer 研究所的 Anna Sótér。

该项目旨在查看氦浴中的光谱是否完全可行——这是未来实验的概念证明，未来将使用更多奇异的混合原子。

但 Sótér 对混合原子如何对不同温度的氦反应感到好奇。她说服合作伙伴花费宝贵的反物质在越来越冷的氦浴中重复测量。

“这是我的一个随机想法，”Sótér 说，他现在是苏黎世瑞士联邦理工学院的教授。 “人们不相信在上面浪费反质子是值得的。”

大多数原子的光谱线在越来越稠密的流体中完全失控，可能会扩大一百万倍，而科学怪人原子则相反。随着研究人员将氦浴温度降低到更冷的温度，光谱污迹变窄了。在大约 2.2 开尔文以下，当氦变成无摩擦的“超流体”时，他们看到了一条几乎与他们在氦气中看到的最紧密的线一样尖锐的线。尽管可能从密集的环境中受到重创，但混合物质 – 反物质原子却以不可思议的方式一致行动。

Sótér 和 Hori 不确定该实验的结果如何，他们坐在结果上，一边思考可能出了什么问题。

“我们继续争论了很多年，”堀说。 “我很难理解为什么会这样。”

一个接近的电话

随着时间的推移，研究人员得出结论，一切都没有出错。紧密的谱线表明，超流氦中的杂化原子没有以气体中典型的台球方式发生原子碰撞。问题是为什么。在咨询了各种理论家之后，研究人员得出了两个可能的原因。

其中之一涉及液体环境的性质。当该小组将氦气冷却为超流体状态时，原子光谱突然收紧，这是一种量子力学现象，其中单个原子以某种方式失去其身份，从而允许它们一起流动而不会相互摩擦。一般而言，超流性使原子碰撞具有优势，因此研究人员预计外来原子在某些情况下只会经历轻微的展宽甚至有限的收紧。 “超流氦，”Lemeshko 说，“是已知的最柔软的东西，你可以将原子和分子浸入其中。”

但是，虽然超流氦可能帮助混合原子成为他们最孤立的自我，但仅凭这一点并不能解释原子的行为有多好。研究人员认为，它们一致性的另一个关键是它们不寻常的结构，这是由它们的反物质成分引起的。

在一个普通原子中，一个微小的电子可以远离它的宿主原子，特别是在被激光激发时。在如此松散的皮带上，电子很容易撞到其他原子，扰乱其原子的固有能级（并导致光谱展宽）。

当 Sótér 和她的同事将活泼的电子换成笨重的反质子时，他们彻底改变了原子的动力学。巨大的反质子更像是一个宅子，靠近外层电子可以保护它的原子核。 “电子就像一个力场，”Hori 说，“就像一个盾牌。”

尽管如此，这个粗略的理论也只能走到这一步。研究人员仍然无法解释为什么在从气体到液体再到超流体时光谱展宽会逆转，他们也无法计算收紧程度。 “你需要有预测性，否则这不是一个理论，”Hori 说。 “只是挥手而已。”

超级工具

与此同时，这一发现开辟了光谱学的新领域。

实验者使用低压气体测量的东西是有限度的，在这种气体中原子会四处放大。这种疯狂的运动产生了更多的分散注意力，研究人员通过用激光和电磁场减慢原子速度来对抗。

将原子粘在液体中是一种更简单的保持它们相对静止的方法，现在研究人员知道让粒子变湿不一定会破坏它们的光谱线。反质子只是一种外来粒子，可以被放置在围绕氦核的轨道上。

Hori 的小组已经应用该技术来制造和研究“pionic”氦，其中一个极短寿命的“pion”粒子取代了一个电子。研究人员首次对 pionic 氦进行了光谱测量，他们于 2020 年在Nature 杂志上对此进行了描述。接下来，Hori 希望利用该方法带来 kaon 粒子（一种相对稀有的 pion）和质子中子的反物质版本对脚跟。这样的实验可以让物理学家以前所未有的精度测量某些基本常数。

“这是一种以前不存在的新功能，”Hori 说。

编者注：Natalie Wolchover 为本文提供了报道。