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在阱里:冷却带电粒子的新方法

1047    2021-09-14    发布者:中国测试杂志社    来源:PTB 翻译:中国测试新闻中心

物理学家首次成功地实现了一种新的方法,用激光冷却的离子——这种情况下通常是铍离子——来冷却质子。 新系统的创新之处在于两种粒子类型位于空间分离的阱中, 这意味着现在可以通过电谐振电路在阱与阱之间9cm的距离内提供冷却效果。

美因茨大学(JGU)的PRISMA+Cluster of Excellence团队是BASE合作项目的一部分,他们能够演示,相比于没有铍的情况,质子可以在一个阱中被冷却到明显较低的温度。 

美因茨大学Mathew Bohmann (左)和 Christian Smorra(右)在装置内安装新的阱

新的阱装置

这项新技术可以用于所有带电粒子,甚至是反质子,在这个温度范围内没有其他冷却方法。 尤其令人兴奋的是,现在应该可以开展实验,使物质和反物质能更精确地进行比较。

这项研究的结果已发表在著名的科学杂志《自然》上。 除了美因茨大学外,海德堡的Max Planck核物理研究所(MPIK)和日本理化学研究所也有效地参与这项新研究中心的发展,以及欧洲核子研究委员会,达姆施塔特的重力研究中心和汉诺威-莱布尼茨大学。 

为了能够对单个离子进行精确的测量,必须将它们捕获并储存在一个阱中,使它们尽可能保持惰性。为了达到这种状态,能量会从带电粒子中移除,从而降低它们的温度。与之前冷却质子的最佳方法相比,利用新的双阱结构,研究小组能够将温度降低约10倍,从而达到接近绝对零度的温度。

“粒子的温度越低,我们就能越精确地限制粒子在阱中存在的空间。我们对粒子的定位越精确,我们的初始条件就越好,因此精密测量结果也就越好。”PRISMA+ Cluster of Excellence团队的物理学家、该出版物的合著者Christian Smorra博士解释说。

一石二鸟的方法

这种新的双阱冷却方法还有更多的优点:它也可以用于反物质粒子,因为在单阱冷却系统中,物质和反物质会立即相互摧毁。这个新概念将使质子和反质子的比较更加精确。该研究的第一作者-MPIK的Matthew Bohman指出:“我们想要明确地看到质子和反质子在性质上的区别。理论认为这两个粒子的行为是相同的,唯一的区别是电荷相反。目前还不清楚为什么我们的宇宙包含这么多质子——因此也就有了物质——但几乎没有反质子,也就是反物质。”Bohman从2018年开始就在美因茨研究新的冷却方法,当时他正在攻读博士学位。

以前的方法要求被冷却的粒子与铍离子之间的距离为0.1mm或更小,而目前的研究表明,尽管在9cm的距离上进行空间分离,但实际上是有可能传输冷却效果的,这为进一步的研究项目奠定了基础。例如,可以实现不间断且更精确的频率测量,这是BASE合作计划基于搜索暗物质空间里的反物质的情况下进行的。在欧洲核子研究中心之前的实验中,该研究小组已经研究过在单个阱中捕获反质子的方法,然而,这是通过使用液氦而不是铍离子来实现的。

实际可行的发展

双阱法于1990年首次提出。这个概念在当时并不包括一个电谐振电路。相反,离子是通过一个普通的阱电极连接的。这种方法的优点是不存在电阻,比如谐振电路产生的电阻,它会产生热量并破坏冷却过程。然而,最大的缺点是离子能量交换的速度很慢,导致带电粒子的温度下降得不够快。“目前的制度是1990年概念的实际可行发展。在这种情况下,阱之间的能量交换发生在一秒钟内,而不再需要两分钟。”Christian Smorra博士强调说。

未来将有可能进一步冷却粒子的运动,直至绝对零度,在那种状况下所有的运动都被冻结了。这样就有可能完全控制粒子的所有自由度。为此目的,将使用量子逻辑技术,因为它们正在开发,例如,在“下萨克森州量子谷”倡议的框架内。汉诺威-莱布尼茨大学和德国联邦物理技术研究院(PTB)正在为BASE合作项目开发这些量子操作方法。



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