測量反氫原子的超精細結構光譜

(Courtesy: ALPHA / CERN)

■CERN的ALPHA-2實驗宣佈他們以萬分之四的精確度測量到了反氫原子的超精細結構光譜。

撰文|陳勁豪

英國物理學家狄拉克在1928年寫下了著名的狄拉克方程式,隨之而來的一個重要結果便是預言了反物質的存在。很快的,物理學家便從宇宙射線中發現了第一個反物質,也就是正電子。

根據理論物理的預測,反物質與我們日常生活中的物質,基本上一模一樣,帶有一樣的質量,一樣的自旋,一樣的所有性質。唯一的差異在於所帶的電荷:反物質帶的電荷與物質相反。而當物質與反物質碰在一起時,兩者會互相湮滅而放出兩道光子。這個性質是物理學家用來偵測反物質最主要的方法之一。

以目前的實驗物理技術,物理學家可以大量的產生反物質。一般實驗室中最常見到的便是正電子,醫院常用到的正子造影便跟正電子有關。而質量更重的反物質就更難形成,通常只有在高能粒子實驗中透過高能粒子對撞才有辦法產生。

物理學家對反物質相當有興趣,他們希望知道反物質是否跟物質一樣具有相同的物理性質,遵守一樣的物理定律。要研究反物質的性質,物理學家決定由反氫原子下手。反氫原子是由一個反質子跟一個正電子所組合而成,是一個電中性的復合系統。而選擇了反清原子的一個重要理由是,物理學家可以透過研究反氫原子的光譜來仔細研究反氫原子的性質。

氫原子的光譜是物理學家可以測量到的最精準的物理量之一。當物理學家把氫原子的光譜測量到準確度為10-13時,物理學家發現了兩個微微分開的譜線。這被稱為超精細結構譜線。這兩個微微分開的譜線使得物理學家能夠進而了解到電子也帶有磁矩。而這個氫原子的超精細結構譜線,兩個譜線之間躍遷頻率,對應到的電磁波波長為21公分。這個氫原子的21公分譜線在天文物理中有很重要的應用。

回到反氫原子。CERN的ALPHA-2實驗要做的,便是仔細測量反氫原子的超精細構造光譜,看看能不能看到類似的21公分譜線。他們利用CERN的反質子減速器(Antiproton Decelerator)來收集反質子,然後與正電子混合以產生反氫原子。他們利用磁力阱來捕捉反氫原子,然後對磁力阱輸入微波以激發反氫原子。當反氫原子吸收到特定頻率的微波,便會受到激發而脫離磁力阱,與外界的氫原子相互湮滅並放出光子。透過測量微波頻率與放出光子數量間的關係,物理學家可以仔細測量反氫原子的譜線。

ALPHA-2的確看到了類似於氫原子的超精細構造光譜,測量到的頻率為1,420.4 ± 0.5 MHz,誤差約為萬分之四。儘管誤差相對於氫原子的測量還是大了許多,不過這個數值與氫原子所測量到的數值一致。這個測量表示以目前的實驗技術,在超精細結構部份,反氫原子與氫原子的表現一致。隨著測量技術的進步,物理學家將可以對反氫原子作更精準的測量。如果測到兩者不相符的話,將很有可能會是新物理的徵兆。

原始論文:
Observation of the hyperfine spectrum of antihydrogen
Nature 548, 66–69 (03 August 2017)

相關報導:
Physics World 2017/08/02: Antimatter hyperfine splitting is measured at CERN
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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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