【物理實驗】反氫原子的電荷

■位於CERN的ALPHA實驗仔細測量了反氫原子所帶的電荷。實驗結果顯示,反氫原子為電中性,且沒有觀測到帶有多餘電荷的跡象。

22撰文|陳勁豪

目前我們看到的宇宙萬物都是由物質所構成。或者從粒子物理的角度看來,是由質子、中子、電子所構成。在粒子物理中,所有的粒子都有一個相對應的反粒子。這個反粒子的質量與所帶電荷量都與粒子相同,只是電荷的符號相反。日常生活中最常見到的反物質是正電子,這是電子的反粒子。所以正電子跟電子的性質完全相同,只是正電子帶正電而已。除了正電子外,在高能粒子實驗中,還會產生各式各樣的反粒子,例如反質子、反中子等。只是這些反粒子出現之後很快就會與物質結合而湮滅,所以我們在日常生活中基本上不會看到反物質。

但如果我們可以把產生出來的反質子與正電子組合在一起,那們就可以合成反氫原子。科學家仔細測量反氫原子的性質,看看它帶有的性質跟我們常見的氫原子有沒有任何差別。

為什麼我們這麼好奇氫原子跟反氫原子的性質差異?

因為根據目前的理論,物質與反物質除了電荷相反之外,所有的性質應該都要完全一樣。如果我們可以在反氫原子中測量出任何差異,那麼便表示可能有一些未知的物理現象存在。另一方面,當宇宙經由大爆炸而誕生的時候,物質跟反物質理論上應該數量相等。但是現今的宇宙基本上看不到任何的天然反物質存在。這個現象至今依舊是未解之謎。如果我們對反物質進行仔細測量,或許可以幫助我們回答這個問題。

因此,位於CERN的ALPHA實驗決定對反氫原子所帶的淨電荷進行精密測量。反氫原子是由帶一個正電荷的正電子與帶一個負電荷的反質子所組成,所以理論上反氫原子的淨電荷一定為零。如果測量到有不為零的淨電荷,那便表示反氫原子內部可能有未知的結構而導致有淨電荷的存在。

ALPHA實驗用磁力阱把反氫原子捕捉起來,以便仔細測量它們所帶的電荷。他們外加電場後釋放反氫原子,並觀察反氫原子的運動軌跡。如果反氫原子帶有淨電荷,那麼這個淨電荷便會因為外加電場的緣故而改變反氫原子的運動軌跡。實驗結果顯示,反氫原子如果帶有電荷,其所帶的淨電荷不大於十億分之零點七一個基本電荷。簡單的說,基本上就是不帶淨電荷。

儘管這次的實驗沒有看出任何差別,但是ALPHA實驗表示,他們下一步將對反氫原子的光譜進行精準測量,並與氫原子的光譜進行比較。至於結果如何,就讓我們拭目以待。

原始論文
An improved limit on the charge of antihydrogen from stochastic acceleration
Nature 529, 373–376 (21 January 2016)
doi:10.1038/nature16491

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Physics World 2016/01/28: ALPHA confirms antihydrogen is neutral as charged
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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