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质子磁矩实现迄今最高精度测量

发布时间:2019-10-12 22:36:00 编辑:笔名

科学家以迄今最高的精度测量了质子磁矩。图片来源:AlanStonebraker/APS

虽然不像大型同步加速器实验那样引人瞩目,但对基本常数或原子性质的测量也能为寻找“标准模型”以外的物理定律作出重要贡献——如果测量精度足够高的话。为了试图解决宇宙中缺失的反物质之谜,物理学家已经完成了迄今为止针对质子固有磁性的最精密测量。研究人员指出,一旦与反质子磁矩的直接测量相结合,这项工作将会为物质—反物质对称性的严格验证铺平道路。

一个研究小组掌握了一项技术,从而能够以3ppb(十亿分之一)的精确度测量一个质子的磁矩——条形磁铁力的微观等价物。

研究人员在5月29日出版的《自然》杂志上报告了这一研究成果。

该项实验是为了弄清为什么宇宙似乎充满了物质而非反物质的一项尝试的一部分。反物质作为物质的一种镜像,虽然完全相同但却翻转了几个关键特性。当二者相遇时,能量便会在一瞬间湮灭。物理学家认为,宇宙大爆炸曾形成了相同数量的物质和反物质,而事实上,剩余下的任何物质都会成为一个难题。

该项研究的合作者、德国美因茨市约翰尼斯·古登堡大学物理学家AndreasMooser指出,在早期宇宙中,能够揭示不对称的质子和反质子之间磁矩的任何差异,可能对有利于物质的结果起到了决定性作用。他说:“当前的物理学理解是这两个值应该是相等的。”

一个质子的磁矩产生于被称为旋转的一种基本量子属性,它导致一个质子的作用相当于一个具有南极和北极的小磁铁。当添加一个外部磁场后,质子的自旋可以同这一磁场匹配,或发生翻转。

在最新的研究中,通过观测单个质子在这两种状态下的翻转,研究人员计算了质子的磁矩。最终,他们的测量结果比之前最好的直接测量值——由美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学物理学家GeraldGabrielse率领研究小组于2012年完成——精确了760倍。而后者则比42年前取得的第三测量值精确了3倍。

瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室(CERN)下属原子光谱和用慢反质子碰撞(ASACUSA)实验室发言人、日本东京大学物理学家RyugoHayano认为,这项试验“无疑是一大突破性进展”。但他认为,这只是一个开始。Hayano说:“研究人员会希望自己能够使用类似的方法对一个反质子的磁矩达到类似的精确测量水平。”

这项试验还将探索物质与反物质之间差异的其他基本性质,其中包括反氢与氢的电磁发射光谱及它们的质量。Hayano指出,即便发现最小的差异也将对于被称为“CPT对称”(预测一个粒子及其反粒子的质量应该相等)的物理学基本理论产生“剧烈的”影响。

反物质是一种人类陌生的物质形式,在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭并释放出高能光子或伽马射线。1932年由美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。迄今为止,物理学界已经发现了300多种基本粒子,这些基本粒子都是正反成对存在的,也就是说,任何粒子都可能存在着反粒子。

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