物理学家计划首次用货车运送反物质

反物质以其极度不稳定性而闻名，但物理学家们已经学会了很好地控制它，现在他们开始首次将其作为一种工具来利用。在一个上个月开始的项目中，研究人员将用卡车运输反物质，然后用它来研究稀有放射性原子核的奇异行为。这项工作旨在更好地理解原子核内部的基本过程，并帮助天体物理学家了解中子星的内部，中子星包含宇宙中最密集的物质形态。

“长期以来，人们一直在研究反物质本身，但现在它已经被掌握得足够好，人们可以开始将其作为一种探测物质的工具，”德国达姆施塔特工业大学的物理学家亚历山大·奥贝泰利（Alexandre Obertelli）说，他领导着名为PUMA（反质子不稳定物质湮灭）的项目，该项目将在位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN进行。

欧洲核子研究中心的反物质工厂通过将质子束撞击金属靶产生反质子——质子的罕见镜像——然后显著减缓新兴的反粒子，以便在实验中使用。奥贝泰利和他的同事计划使用磁场和电场将一团反质子捕获在真空中（见“反物质上路”）。然后，他们会将陷阱装入货车，并将其运至数百米远的邻近实验场所ISOLDE，该实验场所产生稀有且放射性的原子核，这些原子核衰变速度太快，无法自行运输到任何地方。“在卡车上运送反物质几乎就像科幻小说，”印第安纳大学布卢明顿分校的理论核物理学家查尔斯·霍洛维茨（Charles Horowitz）说。“这是一个绝妙的主意。”

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独特的探针

由于反质子很容易与质子和中子发生湮灭，因此它们提供了一种独特的方法来研究放射性原子核的不寻常结构。虽然日常原子核中质子和中子的数量大致相等，但放射性同位素充满了额外的中子。这种不平衡会导致奇异的行为，包括表面“皮肤”中的中子比质子更丰富，或者在锂-11中，中子在其中单独轨道运行的扩展晕圈（见“探测晕圈”）。通过观察反质子与质子和中子湮灭的频率，研究小组将能够了解这些粒子在原子核边缘的相对密度。而且由于湮灭发生得非常快，因此测试速度足够快，可以探测即使是寿命很短的原子核。“这是一种我们以前无法对这些新的、更奇特的原子核进行的测试，它们可能具有非常有趣的结构，”霍洛维茨说。

放射性原子核充当了了解中子星的微观世界，中子星将比太阳更大的质量压缩到一座城市的大小，这对于理解宇宙重元素是如何形成的至关重要。这些超密集恒星的核心仍然是个谜，但它们的结构是由产生富含中子的原子核中奇异现象的相同的鲜为人知的相互作用决定的。“理解中子皮肤和晕圈如此重要的原因之一是充分利用天体物理观测，”韩国大田基础科学研究所的核物理学家帕纳吉奥塔·帕帕康斯坦丁诺（Panagiota Papakonstantinou）说。

奥贝泰利和他的合作者希望创建一个可以存储创纪录的10亿个反质子的陷阱，比任何现有实验多一百倍以上。另一个困难是让他们一次保持数周，迄今为止，一次最多只能实现保持数十个反粒子。这意味着将它们存储在高于绝对零度4度的温度下，并且在与星际空间相当的真空中。“这是一个具有挑战性的项目，”欧洲核子研究中心的反物质物理学家克洛伊·马尔布鲁诺（Chloé Malbrunot）说。“但我认为这是可行的。”

用于便携式陷阱的技术开发和测试将需要大约四年的时间，首次测量计划于2022年进行。如果该方法可行，物理学家可以走得更远地运输反物质，从而使其他未参与欧洲核子研究中心反质子源的六个实验的科学家能够研究和使用这种难以捉摸的物质。

“一旦他们能够证明10亿个质子并将其保持数周，那么就会有更多的实验加入，并且会有新想法的人出现，”马尔布鲁诺说。“我认为这将真正打开这个领域。”

本文经许可转载，并于2018年2月20日首次发表。