研究证明反物质对引力的反应与物质无异

研究证明反物质对引力的反应与物质无异十七世纪，艾萨克-牛顿在观看了苹果从树上掉落的过程后，提出了他的万有引力理论。几个世纪后，阿尔伯特-爱因斯坦提出了广义相对论，该理论至今仍是对万有引力最成功、最经得起检验的描述。然而，反物质却不为爱因斯坦所知。1928年，英国物理学家保罗-狄拉克（PaulDirac）提出理论，认为每一种粒子都存在相应的反粒子，并预言了正电子（或反电子）的存在。从那时起，关于引力和反物质之间的相互作用就有了很多猜测，有人认为反物质被引力排斥，也有人认为它被引力吸引。欧洲核子研究中心（CERN）的反氢激光物理装置（ALPHA）合作组织的一项新研究可能已经解决了这一争论，该研究发现反氢原子（氢的反物质对应物）落到地球上的方式与其物质对应物相同。这项研究的通讯作者杰弗里-杭斯特（JeffreyHangst）说："在物理学中，只有通过观察才能真正了解某些东西。这是首次直接观察到引力对反物质运动影响的实验。这是反物质研究中的一个里程碑，由于反物质在宇宙中明显不存在，它仍然让我们感到神秘。"ALPHA实验涉及在捕获装置中制造、捕获和研究反氢原子。反氢原子是电中性和稳定的反物质粒子，因此非常适合研究反物质的引力行为。反氢是由反质子和正电子这两种反粒子组合而成的。反质子是一种亚原子粒子，质量与质子相同，但带有负电荷。ALPHA小组最近建造了一个名为ALPHA-g的垂直仪器，其中的"g"表示当地的重力加速度，对于物质而言，重力加速度为32.2英尺/秒2（9.81米/秒2）。ALPHA-g可以测量反氢原子与相应物质相遇时的垂直位置--这一过程被称为湮灭--一旦捕获器的磁场关闭，原子就会逃逸。研究人员每次捕获一组约100个反氢原子。然后，他们通过逐渐减小顶部和底部捕获器磁铁中的电流，在20秒内缓慢释放原子。根据计算机模拟预测，20%的原子将从陷阱顶部释放，80%的原子将从底部释放，这一差异是由重力向下效应造成的。研究人员对七次释放试验的结果进行了平均，发现反原子从顶部和底部流出的比例与模拟结果一致。也就是说，反氢原子的下落方式与氢原子在1克（即正常重力）下的下落方式相同。利用ALPHA-g仪器，研究人员有效地重现了伽利略著名的重力实验。据传说，这位意大利科学家从比萨斜塔顶端投下不同重量的铁球，它们同时落地，这表明重力会使不同质量的物体以相同的加速度下落。研究人员表示，他们的发现排除了存在排斥性"反引力"的可能性，但目前的研究仅仅标志着对反物质引力性质进行详细、直接研究的开始。Hangst说："我们花了30年的时间才学会如何制造这种反原子，如何抓住它，以及如何很好地控制它，以至于我们能够以一种让它对引力敏感的方式将它实际投放下去。下一步是尽可能精确地测量加速度。我们想测试物质和反物质是否真的以同样的方式坠落。"这项研究发表在《自然》杂志上，在下面这段由欧洲核子研究中心制作的视频中，杰弗里-杭斯特解释了ALPHA-g的工作原理、反物质引力实验的原因和结果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386881.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386881.htm

欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球

欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球超大质量黑洞发射等离子体喷流的艺术家印象图，欧洲核子研究中心的科学家们现在已经在实验室中重现了这一场景。美国宇航局/JPL-加州理工学院这些所谓的相对论喷流被认为包含了由电子及其反物质等价物正电子组成的等离子体。但是，这种物质究竟是如何形成的，又有什么作用，很难通过天文观测和计算机模拟来测量。于是，欧洲核子研究中心的科学家们开始在实验室里制造他们自己的版本。利用高辐射材料（HiRadMat）设施，研究小组从超级质子同步加速器中捕获了3000亿个质子，并将它们喷射到石墨和钽制成的靶子上。这引发了一连串的粒子相互作用，产生了足够多的电子-正电子对来维持稳定的等离子状态。产生等离子体的一系列相互作用示意图罗切斯特大学激光能量学实验室插图/HeatherPalmer首先，质子撞击石墨中的碳原子核，产生的能量足以撞散其中的基本粒子。其中的中性粒子很快衰变为高能伽马射线。这些伽马射线随后与钽的电场相互作用，进而产生成对的电子和正电子。在这次试运行中，产生的电子-正电子对达到了惊人的10万亿个，足以让它开始表现得像一个真正的天体物理等离子体。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如黑洞和中子星的喷流，"该研究的合著者吉安卢卡-格雷戈里（GianlucaGregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似。像这样的实验室实验是连接这两种方法的桥梁。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434761.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434761.htm

CERN的里程碑式试验：如果释放反物质 它会掉下来还是升上去？

CERN的里程碑式试验：如果释放反物质它会掉下来还是升上去？这幅图显示了反氢原子在磁阱内坠落并湮灭的过程，该磁阱是欧洲核子研究中心ALPHA-g实验的一部分，旨在测量引力对反物质的影响。图片来源：美国国家科学基金会在证实反物质和常规物质具有引力吸引力的同时，这一发现也排除了引力斥力作为反物质在可观测宇宙中基本缺失的原因。瑞士欧洲核子研究中心国际反氢激光物理装置（ALPHA）合作项目的研究人员今天在《自然》杂志上发表了他们的发现。"ALPHA合作的成功证明了跨大洲和科学界团队合作的重要性，"美国国家科学基金会物理部项目主任Vyacheslav"Slava"Lukin说。"了解反物质的性质不仅能帮助我们了解宇宙是如何形成的，还能促成前所未有的创新--比如正电子发射断层扫描（PET），通过应用我们对反物质的了解来检测体内的癌症肿瘤，从而挽救了许多人的生命。"反氢激光物理装置（ALPHA）合作项目是一个国际小组，该小组在欧洲核子研究中心利用反氢原子了解物质和反物质之间的基本对称性。研究人员宣布了一项旨在了解引力对反物质影响的实验的突破性成果。图片来源：美国国家科学基金会物质难以捉摸的易变双胞胎除了《星际迷航》中想象的以反物质为燃料的曲速驱动器和光子鱼雷之外，反物质是完全真实的，但却神秘地稀缺。美国加州大学伯克利分校等离子体物理学家、ALPHA协作成员乔纳森-沃特尔（JonathanWurtele）说："爱因斯坦的广义相对论认为，反物质的行为应该与物质完全相同。"许多间接测量结果表明，引力与反物质的相互作用符合预期。"但在今天的结果之前，还没有人真正进行过直接观测，以排除反氢气在引力场中向上运动而不是向下运动等可能性。"我们的身体、地球以及科学家们所知的宇宙中的大多数其他东西，绝大多数都是由质子、中子和电子组成的常规物质构成的，比如氧原子、碳原子、铁原子以及元素周期表中的其他元素。另一方面，反物质是普通物质的孪生兄弟，尽管具有一些相反的性质。例如，反质子带有负电荷，而质子带有正电荷。反电子（又称正电子）带正电，而电子带负电。凯文-琼斯（KevinM.Jones）是美国国家科学基金会物理部的项目经理，也是威廉姆斯学院的威廉-爱德华-麦克尔弗莱什物理学名誉教授，他简要介绍了什么是反物质以及研究反物质的总体价值。资料来源：美国国家科学基金会然而，对于实验人员来说，也许最具挑战性的是，"只要反物质一接触物质，它就会爆炸，"ALPHA合作成员、加州大学伯克利分校等离子体物理学家乔尔-法扬斯（JoelFajans）说。物质和反物质的结合质量在反应中完全转化为能量，这种反应如此强烈，科学家称之为湮灭。对于给定的质量，这种湮灭是我们所知的最密集的能量释放形式。但是，ALPHA实验中使用的反物质量非常小，只有敏感的探测器才能感知反物质/物质湮灭产生的能量。因此我们必须非常小心地操纵反物质，否则就会失去它。ALPHA-g设备磁阱中的反氢原子概念图。当磁阱顶部和底部的磁场强度减弱时，反氢原子就会逃逸出来，接触磁阱壁并发生湮灭。大部分湮灭发生在腔室下方，这表明重力正在将反氢原子向下拉。动画中旋转的磁场线表示磁场对反氢原子的无形影响。在实际实验中，磁场并不旋转。资料来源：Keyi"Onyx"Li/美国国家科学基金会投掷“反物质炸弹”沃特尔说："广义地说，我们正在制造反物质，我们正在做比萨斜塔式的实验。"他指的是他们实验中更简单的智力祖先--伽利略在16世纪进行的实验（也许是寓言式的），该实验证明了两个同时掉落的体积相似但质量不同的物体具有相同的重力加速度。"我们让反物质运动，看看它是上升还是下降"。在ALPHA实验中，反氢气被装在一个高大的圆柱形真空室中，该真空室带有一个名为ALPHA-g的可变磁阱。科学家们降低了磁阱顶部和底部磁场的强度，直到反氢原子能够逃逸，并且相对较弱的重力影响变得明显。当每个反氢原子逃出磁阱时，都会触及磁阱上方或下方的腔壁，然后湮灭，科学家们可以检测并计数。研究人员重复了十几次实验，改变了磁阱顶部和底部的磁场强度，以排除可能的误差。他们观察到，当被削弱的磁场在顶部和底部精确平衡时，约有80%的反氢原子在陷阱下方湮灭--这一结果与普通氢云在相同条件下的表现一致。因此，引力导致反氢原子向下坠落。物质/反物质之谜尽管反物质的来源并不多--比如钾衰变时发射的正电子，甚至在香蕉中也有反物质--但科学家在宇宙中并没有看到太多的反物质。然而，物理定律预测反物质的存在数量应该与普通物质大致相同。科学家将这一难题称为重生成问题。一种可能的解释是，在宇宙大爆炸过程中，反物质受到了普通物质的引力排斥，但新发现表明，这一理论似乎不再可信。沃特尔说："我们已经排除了反物质被引力排斥而非吸引的可能性。他补充说，这并不意味着反物质受到的引力没有差异。只有更精确的测量才能证明这一点。"ALPHA合作项目的研究人员将继续探索反氢的本质。除了改进对引力效应的测量，他们还在通过光谱学研究反氢如何与电磁辐射相互作用。如果反氢在某种程度上不同于氢，那将是一件革命性的事情，因为量子力学和引力的物理定律都认为反氢的行为应该是相同的。然而只有做了实验才能知道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387409.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387409.htm

研究人员首次观测到核在β衰变后分解成四种粒子的现象

研究人员首次观测到核在β衰变后分解成四种粒子的现象科学家们在氧-13中发现了一种新的放射性衰变模式，在这种模式下，氧-13会分解成三个氦核、一个质子和一个正电子。得克萨斯农工大学回旋加速器研究所采用了独特的实验装置，对氧-13的衰变过程进行了密切监测，从而使这一发现成为可能。科学家们现在首次观测到了一种新的衰变模式。在这种衰变中，氧的一种较轻形式--氧-13（有8个质子和5个中子）--通过分裂成3个氦核（没有周围电子的原子）、1个质子和1个正电子（电子的反物质版本）而衰变。科学家通过观察单个原子核破裂并测量破裂产物来观察这种衰变。科学家以前曾观察到放射性衰变的有趣模式，其过程被称为"β-加衰变"。在这个过程中，质子变成中子，并通过发射正电子和反中微子来释放产生的部分能量。在最初的β衰变之后，产生的原子核可以拥有足够的能量来沸腾掉额外的粒子，使自身变得更加稳定。这种新的衰变模式是首次观测到β衰变后释放出三个氦核（α粒子）和一个质子。这些发现可以让科学家们了解衰变过程和衰变前原子核的特性。原子核经过这种新衰变模式的β衰变后产生的粒子图像。由此产生的原子核分裂成三个氦核（α）和一个质子（p），它们来自一个衰变点（红圈）。图片来源：J.Bishop提供在这项实验中，研究人员利用德克萨斯农工大学回旋加速器研究所（CyclotronInstituteatTexasA&MUniversity）的回旋加速器产生了一束高能量（约为光速的10%）的放射性原子核。他们将这束放射性物质（氧-13）送入一个名为德克萨斯主动目标时间投影室（TexATTPC）的设备中。这种物质会停在这个充满二氧化碳气体的探测器内，并在大约10毫秒后通过发射一个正电子和一个中微子（β-加衰变）而发生衰变。研究人员将氧-13逐个核植入探测器并等待其衰变，然后使用TexATTPC测量β衰变后沸腾的任何粒子。接下来，他们用计算机程序分析数据，以确定粒子在气体中留下的轨迹。这样，他们就能识别出罕见事件（每1200次衰变中才出现一次），即β-衰变后有四个粒子被释放出来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382801.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382801.htm

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达50纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中--这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距500纳米的位置--这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为50纳米。一个红血球的宽度约为1000纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔500纳米的两层原子的1000倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（WolfgangKetterle）说："我们已经把原子的间距从500纳米提高到50纳米，可以利用这一点做很多事情。在50纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型--这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤--他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于500纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云--在这种情况下，冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高出一线--此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到50纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的50纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子--一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到50纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了50纳米--这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距500纳米的原子强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430651.htm

微型原子钟帮助加速寻找暗物质及其它

微型原子钟帮助加速寻找暗物质及其它科学家们正在利用光学原子钟这种超灵敏量子传感器寻找暗物质。(艺术家概念图）。挑战：操作这种超精密时钟所需的设备--包括激光器、电子设备和冷却器--可以摆满一张大桌子，甚至一个房间。这将使将它们发射到太空变得非常昂贵，甚至不可能。费米实验室研究人员孙鸿志和帕梅拉-克拉伯斯在试验台上测试芯片。图片来源：RyanPostel，费米实验室参与美国能源部和国防部联合项目的科学家旨在将这些元件微型化到鞋盒大小。经过两年多的努力，来自能源部费米国家加速器实验室和麻省理工学院林肯实验室的研究人员已经报告了初步的可喜成果。费米实验室的研究人员设计并开发了控制装置内电压所需的紧凑型电子设备，而麻省理工学院林肯实验室的研究人员正在开发制造时钟所需的微小离子阱和相应的光子学。费米实验室团队设计的芯片目前正在麻省理工学院实验室进行测试。实验室微电子部主任法拉-法希姆（FarahFahim）说："这是迈向高精度、小尺寸原子钟的第一步。"麻省理工学院实验室的光学原子钟使用离子阱作为传感器--在本例中，锶离子被电场束缚。激光作为时钟的振荡器，测量离子在两个量化能级之间转换的振荡频率。这种结构紧凑的原子钟非常适合部署到太空中寻找超轻暗物质，理论上暗物质会引起电子质量的振荡。如果几个原子钟穿过太空中的一团暗物质，暗物质就会增加或减少每个原子钟测量到的光子能量，从而改变它的"滴答"声。当暗物质经过时，这些时钟会失去同步，之后又会重新同步。研究人员用GPS卫星进行了这些实验，每颗卫星都包含多个基于不同技术的原子钟。但他们在这些实验中没有发现暗物质的证据。研究人员认为，也许可以用更灵敏的时钟来探测暗物质。芯片的图形效果图。资料来源：费米实验室萨曼莎-科赫在美国国防部的资助下，麻省理工学院实验室的研究人员将困离子原子钟微型化，将激光传输和探测全部集成到一个芯片上。但要完成这个系统，麻省理工学院LL研究人员需要的不仅仅是微型化的原子和光子元件。他们需要帮助设计一个微型电子控制系统。这就是费米实验室介入的原因；能源部的高能物理QuantISED计划为电子开发和集成提供了资金。法希姆说："我们拥有30多年为对撞机物理学开发紧凑型电子设备的经验，我们已经开发出了适用于极端环境的芯片。这与控制原子并读出其状态所需的电子器件并无二致。"麻省理工学院LL的参谋科学家罗伯特-麦康奈尔（RobertMcConnell）说："这是一个真正利用了不同政府实验室独特能力的项目，"他领导了该项目的光子离子阱芯片开发工作。难点在于如何制造一种小型芯片，既能控制系统所需的高电压（至少20伏），又能保持高速度和低功耗。费米实验室团队与一家半导体制造商合作，最近制造出了一种能控制高达9伏电压的芯片。"该项目的首席芯片设计师孙鸿志说："它的电压噪声也很低，因此不会扰乱离子的量子态。"准备测试：芯片的定制测试板与测试设备连接。芯片用导线粘接在测试板上，并由方形白色塑料盖保护。图片来源：RyanPostel，费米实验室麻省理工学院LL研究人员现在希望通过一种技术将芯片与离子阱集成在一起，这种技术允许他们将两个芯片堆叠在一起，并通过通孔（即层间电连接）将它们连接起来。随后，费米实验室的研究人员将继续完善电子设计，将电压提高到20伏。我们的目标是制造出一个紧凑型原子钟，其频率不确定性为10-18。麦康奈尔说："这次合作让我们获得了两个世界的好处。通过让费米实验室设计电路并将其与我们的离子阱集成，我们可以制造出可控性良好的量子传感器。"这些时钟的用途可以超出高能物理研究，包括太空防御，甚至可以作为极其灵敏的传感器来预测海啸或地震。这些离子阱还可以成为未来量子计算机的基础。法希姆说："国防部和能源部在应用目标上存在巨大差异，但在基础技术开发方面却有着同样引人注目的协同效应；我们只需要找到合作的方法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374213.htm