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反物质测量最高精度万亿分之二 仍无法解释最大谜团

北京时间4月12日消息,据国外媒体报道,目前,科学家对反物质进行了最精确测量,精度可达到万亿分之二。但是,研究结果只会使宇宙中生命和任何事物存在谜团变得更加扑朔迷离。

最新测量结果表明,在相当高的精确度下,反物质和物质的行为特征是相同的。迄今所有测量都无法解释物理学一个最大谜团:如果宇宙大爆炸过程中产生等量物质和反物质,为什么现今宇宙主要是由物质构成?

我们的宇宙是建立在对立平衡基础之上,对于每种类型由物质构成的“正常粒子”,都有一个相同质量的共轭反粒子,与它同时产生相反的电荷。电子拥有相反的反电子,或者正电子;质子拥有反质子等等。

当物质与反物质粒子相遇时,它们会相互湮灭,只留下剩余能量。物理学家认为,宇宙大爆炸产生的物质和反物质应该是等量的,而且每一种都确保另一种共同毁灭,使早期宇宙失去生命构建成分。然而现今宇宙完全充满物质,并孕育诞生了地球生命。

但当前存在一个问题:我们并不知道宇宙大爆炸产生的任何原始反物质,如果反物质和物质行为特征是相同的,为什么一种能够在大爆炸中幸存,而另一种却没有呢?

日本理化研究所物理学家斯蒂芬·乌尔默(Stefan Ulmer)称,回答这些问题的一个最佳方法是测量物质的基本属性和反物质的共轭属性,尽可能精确地比较这些研究结果。如果物质属性和相关反物质属性之间存在轻微偏差,这可能是物理学最大疑团的首个重要线索。2017年,科学家发现一些物质和反物质行为存在轻微差异,但是该研究结果在统计方面不能算为一项重大发现。

研究报告作者、丹麦奥胡斯大学物理学家杰弗瑞·汉格斯特(Jeffrey Hangst)称,但是如果科学家想操控反物质,他们就得煞费苦心地制造反物质。最近几年,一些物理学家开始研究反氢原子(antihydrogen),或者氢的反物质形式,因为氢是“我们在宇宙中最了解的元素之一”。制造反氢原子涉及到混合9万个反质子和300万个正电子,从而产生5万个反氢原子,科学家在一个28厘米长的圆柱管中进行实验,发现仅有20个被磁铁捕获。

目前,这项最新研究报告发表在4月4日出版的《自然》杂志上。汉格斯特研究小组获得了一个前所未有的标准测量:他们已实现对反氢原子或者迄今任何类型反物质的最精确测量,在1.5万个反氢原子中(在混合反质子和正电子的实验中进行了750多次),他们研究了原子从低能级跃迁至高能级时,释放或者吸收光线的频率。

研究人员的测量结果显示了反氢原子的能量等级和光吸收数据,与氢原子相一致,其精确度达到万亿分之二,显著提高了之前的测量精确度。

乌尔默指出,非常罕见的是,实验者设想提高了100倍精确度,他认为,如果汉格斯特研究团队继续这项研究工作10-20年,他们将提高氢谱精确度1000倍。

对于汉格斯特——欧洲核子研究中心(CERN)阿尔法合作发言人,这一研究结果是数十年取得的成绩。他说:“捕获和持有反物质都是一项重大成就。”

汉格斯特说:“20年前,人们认为这是不可能发生的,这是一项实验杰作,能够做到这一点非常不容易。”

未参与这项研究的欧洲核子研究中心物理学家迈克尔·多塞(Michael Doser)说:“这项最新研究结果令人印象深刻,这项测量中捕获的原子数量(15000个),对于几年前汉格斯特研究小组的记录是一个巨大进步。”

那么,对反物质最精确的测量是什么呢?令人遗憾的是,我们探索的余地并不大。正如我们所预料的,氢和反氢原子,物质和反物质,它们的行为特征非常接近。目前,我们仅知道它们万亿分之一精确度测量下,它们是相同的。然而,乌尔默表示,万亿分之二的精确度并不排除这种可能性,即某种物质在两种类型物质之间的差异达到更大的精确度,从而与测量结果发生偏离。

至于汉格斯特,他并不关心为什么我们的物质世界存在,因为它没有反物质——他将其称之为“房间里的大象”。相反,他和他的研究团队想集中精力进行更加精确的测量,探索反物质与重力的反应,它像正常物质一样下降,还是掉下来?

汉格斯特认为这个谜团可以在2018年底之前揭晓,那时欧洲核子研究中心将关闭,进行为期两年的升级。他说:“我们还有其他的方法来解决这些问题,让我们拭目以待吧!”

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