很酷的新技術可以更輕松地測量關鍵粒子的特性

由 RIKEN 科學家領導的 BASE 合作的科學家開發(fā)了一種新的冷卻方法，可以更輕松地測量稱為磁矩的質(zhì)子和反質(zhì)子的特性。這是正在研究的性質(zhì)之一，以解開為什么我們的宇宙包含物質(zhì)但幾乎沒有反物質(zhì)的謎團。

在標準模型下，我們的宇宙應該具有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，但實際上并非如此。為了找出原因，世界各地的科學家正試圖發(fā)現(xiàn)兩者之間的微小差異，以解開這個謎團。一個有希望的途徑是探索質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩是否存在差異，而位于歐洲核子研究中心的 BASE 實驗正試圖確定這一點。使用復雜的設備——能夠捕獲和檢測單個粒子的 Penning 阱——過去，BASE 團隊能夠?qū)①|(zhì)子和反質(zhì)子磁矩測量的精度提高 30 倍和超過三個數(shù)量級，分別導致對物質(zhì)/反物質(zhì)對稱性的測試達到十億分之 1.5 的水平，

進行此類實驗的困難之一是，要精確測量磁矩，需要將粒子保持在接近絕對零 (-273.15°C) 的溫度下。在之前的實驗中，低溫是通過使用一種稱為“選擇性電阻冷卻”的技術來準備的，這種技術非常耗時，據(jù)研究人員稱，“類似于擲 100 個面的骰子，試圖擲出 1”。

對于發(fā)表在《自然》雜志上的當前實驗，BASE 合作報告了通過將粒子耦合到激光冷卻的 9Be+ 離子云，首次展示了單個質(zhì)子的“交感冷卻”。同感冷卻涉及使用激光或其他設備來冷卻一種類型的粒子，然后使用這些粒子來傳遞它們希望冷卻的粒子的熱量。利用這項技術，該小組同時用激光冷卻離子冷卻了宏觀超導調(diào)諧電路的諧振模式，還實現(xiàn)了單個被捕獲質(zhì)子的共感冷卻，達到接近絕對零的溫度。

最近論文中描述的技術是朝著顯著減少骰子流形上的面孔邁出的重要的第一步，其愿景是將表面理想地減少到只有一個。“我們報告了重要的第一步，這種方法的進一步發(fā)展最終將導致理想的自旋翻轉(zhuǎn)實驗，其中將在幾秒鐘內(nèi)制備單個低溫質(zhì)子。這將使我們能夠通過一次大約需要一分鐘的測量來確定粒子的自旋狀態(tài)，”領導這項研究的科學家之一克里斯蒂安·斯莫拉 (Christian Smorra) 說。“這比我們之前的磁矩測量要快得多，并且將提高采樣統(tǒng)計數(shù)據(jù)和我們系統(tǒng)研究的分辨率，”馬克斯普朗克核物理研究所的博士生 Matthew Bohman 補充道，

“此外，報告的成果不僅適用于質(zhì)子/反質(zhì)子磁矩測量。它為精密 Penning 陷阱物理學的工具箱增加了通用新技術，并且在其他核磁矩測量、Penning 陷阱荷質(zhì)比的超精密比較，甚至在提高產(chǎn)量方面也有潛在的應用。反氫”，BASE 合作發(fā)言人兼 RIKEN 基礎對稱實驗室首席科學家 Stefan Ulmer 補充道。

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