八年磨一劍,科學傢首次實驗驗證奇異物質!

《Nature》:八年磨一劍,科學傢首次實驗驗證奇異物質!
激光束照射π介子氦原子的藝術抽象圖。來自Thorsten Naeser,Dennis Luck,,MPQ

奇異原子是指普通原子的一個或多個組分被奇異粒子(如反物質粒子)所取代的原子。基於世界上最精確計時器原子鐘的技術對這些原子進行探測,可以尋找它們的性質與模型預測的性質之間的任何微小差異,從而打開瞭物理學基礎的一扇窗戶。人們對奇異原子的興趣源於這樣一個事實,即它們通常有助於物理學中最基本的實驗策略:改變其他復雜系統中的單個參數或成分,以觀察其效果。實際上,這並不像看上去那麼簡單。不同的粒子可以有不同的質量或電荷,並可能以其他微妙的方式與周圍環境發生不同的相互作用,然而這些微妙之處往往增加瞭奇異原子的價值。

隨著研究奇異原子所需技術的改進,越來越多的科學傢通過研究這些原子探討自然界的基本性質。奇異原子作為基礎物理探針的一個重要特點是,它們是具有多個內能態的束縛系統(需要能量將其組成拉開)。因此,這些狀態之間的轉換可以通過激光光譜學進行研究,激光光譜學是物理學工具箱中最精確的測量工具。原子躍遷的研究,特別是氫原子躍遷的研究,是一項持續瞭兩個多世紀的工作。例如,它啟發瞭Niels Bohr在二十世紀早期開創性的原子模型,並推動瞭量子力學的許多發展。

1947年,Cecil Powell和他的同事們發現瞭π介子,但在1935年,Hideki Yukawa就首次預言瞭π介子的存在。它們屬於被稱為介子的亞原子粒子傢族,介子傳遞原子核、中子和質子之間的強大作用力。盡管具有相同電荷的質子彼此強烈排斥,但較強的核力將它們結合在一起形成原子核。沒有這種力量,我們的世界就不會存在。介子與質子和中子有根本的不同,質子和中子都由三個誇克組成,而介子隻由兩個誇克組成。π介子是一種短壽命粒子,具有正電性、負電性和中性等多種形式,是決定原子核穩定性和衰變的一類重要粒子。1964年,在當時的一些實驗中,人們已經從理論上預言瞭π介子氦原子的存在。然而,人們認為很難通過實驗驗證這一預測。通常,在一個原子中,壽命極短的π原子衰變得更快。然而,在π介子氦中,它在某種意義上是守恒的,所以它的壽命是其他原子的一千倍。

經過八年的持續研究,來自德國馬克斯普朗克量子光學研究所的資深物理學傢Masaki Hori領導的小組成功地完成瞭一項具有挑戰性的實驗:在氦原子中,他們用一個處於特定量子態的π介子取代瞭一個電子,合成瞭π4He+,並在183760千兆赫茲的近紅外共振頻率下激發瞭π-占據的π4He+軌道的躍遷(n,l)=(17,16)(17,15)。激光引發電磁串聯過程,以原子核吸收π-並經歷裂變結束。對產生的中子、質子和氘核碎片的探測表明原子中存在激光誘導共振,首次證實瞭這種長壽命的“π介子氦”的存在。這項工作使得利用量子光學的實驗技術來研究介子成為可能。這項研究以“Laser spectroscopy of pionic helium atoms”為題發表Nature上。

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研究者利用590MeV環形回旋加速器提供的帶負電的π介子,用磁鐵將它們聚焦到含有超流體氦的目標上,制備瞭π介子氦原子。實驗中,氦靶被冷卻到大約2K的低溫,使得一些π介子被捕獲在π介子氦的弱束縛態,其中π介子離原子核足夠遠,可以被剩餘的電子屏蔽(圖1)。因此,產生的奇異原子保留瞭納秒級的壽命,這一壽命足以讓激光脈沖激發出新生的奇異原子。

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圖1 如何制備和激發π介子氦。Hori等向液氦發射瞭一束負電性的亞原子粒子,稱為π介子。當π介子撞擊氦原子時,可以擊出其中一個電子,並在氦原子核(由兩個質子和兩個中子組成)周圍的高能級軌道上取代它,形成一個奇異原子,稱為π介子氦。作者向這些奇異原子發射激光,從而觀察到π介子向低能級軌道的轉變,這一過程觸發瞭剩餘電子的噴射。這種噴射加速瞭π介子被原子核吸收(未顯示),原子核最終分裂。

接下來,為瞭確認這些原子確實已經被創造出來及研究它們如何吸收光並與光產生共振,研究人員向目標發射不同頻率的激光,並尋找π介子在其主體原子的不同能級之間進行量子躍遷的實例。經過不同激光頻率的反復試驗,他們能夠識別特定的跳躍。據預測,這一躍遷將導致氦原子核對π介子的吸收,隨後氦原子核分裂成一個質子、一個中子和一個由質子和中子組成的復合粒子。研究者用一系列粒子探測器探測到這些碎片,從而證實瞭π介子確實已經發生躍遷。

π介子躍遷是通過從實驗數據中仔細去除大的“背景”信號來探測的;這個背景與π介子氦的短壽命態得到裂變產物有關,或者是由π介子束本身產生的。這使得每小時隻有三個躍遷的π介子氦原子發出信號,或者估計每十億個產生的奇異原子中有三個發出信號。盡管數量極低,但激光誘導的躍遷信號仍能被清楚地探測到,並且可以以大約5位有效數字的絕對精度來確定發生躍遷的激光頻率(以及與躍遷能量變化相對應的頻率)。

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用於產生和探測質子π介子氦原子的實驗裝置。π介子從右側進入,激光束從左側進入。Masaki Hori

“對含有介子的奇異原子的激光光譜測量可用於高精度地確定組成介子的質量和其他性質,並對涉及介子的可能的新力做出限制。”Masaki Hori博士在接受采訪時表示:“對於我們研究中使用的介子,即最輕的介子之一,我們也許最終能夠以高於一億分之一的精度確定它的質量。”“這將比迄今為止所達到的精度高出100倍,並將允許與標準模型預測進行精確比較。”

八年來,該小組致力於這項具有挑戰性的開創性實驗,這項實驗將有可能建立一個新的研究領域。這是一場科學馬拉松,由馬克斯·普朗克量子光學研究所、瑞士保羅謝勒研究所(PSI)和歐洲粒子物理實驗室CERN之間的國際合作促成。實驗使用瞭世界上最強大的位於PSI的π介子源。由於實驗失敗的風險非常高,實驗過程遇到瞭很多失敗,該小組得到瞭PSI和馬克斯普朗克協會(MPG)的長期支持。PSI為π介子提供瞭束流時間,CERN的技術組提供瞭設備的重要組成部分,MPG提供瞭長期研究的有利環境。該項目由歐洲研究理事會(ERC)資助。

下一步,研究者的目標是提高識別躍遷的精度,並搜索其他躍遷,以期利用它們測量π介子的質量並測試標準模型。

“這一成功為采用量子光學方法研究π介子開辟瞭全新的途徑,”Hori博士高興地說。

參考來源:

https://www.mpq.mpg.de/en/2020-05-pionic-helium

http://www.sci-news.com/physics/pionic-helium-08423.html

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2240-x

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01250-7

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