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原文作者:Elizabeth Gibney
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這種不穩定的物質將被裝載到卡車中,穿越歐洲核子研究中心(CERN)園區,運送到不同設施,為科學家提供更多研究它的機會。
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PUMA實驗(反質子不穩定物質湮滅,antiProton Unstable Matter Annihilation)是一個緊湊型實驗,旨在將反質子從CERN的反物質工廠運送到實驗室的ISOLDE設施。圖片來源:Maximilien Brice/CERN (CC-BY-4.0)
兩支來自歐洲核子研究中心(CERN)的物理學團隊,正在競速完成一項非凡的壯舉:首次運輸反物質。反物質是普通物質的鏡像,極難制造且壽命極短——在與普通物質接觸的瞬間就會湮滅。其中一支團隊希望將反物質轉移,以便進行更精確的研究,另一支團隊則計劃利用反物質進行前所未有的首次材料探測實驗。
“如果實現了,將開啟無數新機遇。”美國紐約州布魯克海文國家實驗室 的物理學家 James Dunlop說,他的研究涉及在納秒尺度上觀察反物質。
每一個物質粒子都有一個與之相對應的反粒子:是它的鏡像,帶有相反的電荷。物理學家認為,在宇宙大爆炸期間,宇宙中產生了等量的物質和反物質。但是,如今的宇宙卻幾乎完全由普通物質組成,這仍是一個未解之謎。
反物質在地球上價值連城——制造一克的成本可達數萬億美元。位于瑞士日內瓦附近的CERN是世界上唯一一個能制造慢速反粒子的地方,這些反粒子來得及被捕捉和儲存,并有望在不湮滅的情況下被運輸出去。CERN的兩個項目,PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) 和BASE-STEP,正計劃將反物質運往其他實驗室,預計在今年實現。
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反物質運輸
兩支團隊運送反物質的目標有所不同。BASE-STEP項目團隊計劃將反質子,即質子的反粒子,運送到一個無實驗噪聲的環境中,以進行更細致的研究。而PUMA則計劃將反質子運送到一個也生產其他短壽命物質的科學裝置中,利用反物質探測它們的原子核結構。
兩項計劃的首次運輸都只需幾小時,僅限于CERN科學園區內部。但團隊以后希望進行更長距離的運輸,送到歐洲的各個大學,讓更多實驗室有機會研究反物質。BASE-STEP項目團隊的目標是將反質子運送到約700公里外的德國杜塞爾多夫的海因里希·海涅大學,該團隊的一部分成員就在該大學工作。
此類運輸服務“將有助于反物質使用及研究的普及”,德國達姆施塔特工業大學的物理學家、PUMA項目的設計者Alexandre Obertelli說。
捕獲反質子
為了在運輸過程中存儲反質子,研究人員花費了數年時間研發專用的“捕獲裝置(陷阱)”。2024年10月,BASE-STEP團隊進行了一次運輸測試,在貨車后部的陷阱裝置中放置了普通物質。12月4日,PUMA團隊計劃將空置的陷阱裝置從德國達姆施塔特工業大學運送至CERN。到達CERN后,團隊會將反物質裝入裝置并開始測試。
在運輸反物質時,物理學家必須用磁性“瓶子”懸浮并冷卻反質子。這些容器利用超導磁體將反質子固定,使其懸浮,從而不接觸容器壁。同時,移動式發電機將為磁體供電,并提供冷卻系統,將反質子保持在約4開爾文(-269°C)的超低溫度下。還有液態氦作為備用冷卻劑。
難題可能是維持高真空環境,以防止反物質與游離的普通物質粒子接觸而湮滅。該過程還需設計一種系統,讓反物質能夠釋放或引入其他材料進行實驗。此外,所有設備都得是可移動的,還能承受運輸過程中產生的震動和力。“我認為這可行,就是難。” Dunlop說。
Obertelli指出,目前尚無關于如何運輸反物質的官方規定。在美國作家Dan Brown 2000年的小說《天使與魔鬼》中,恐怖分子從CERN盜走了四分之一克反物質用于制造炸彈,引發了人們對反物質危險性的擔憂。然而,Obertelli表示,這種擔憂完全沒有必要。他說,即使PUMA計劃運輸的所有反質子同時湮滅,釋放的能量也僅僅相當于一支鉛筆從桌子高度掉落產生的沖擊力,“炸不起來的。”
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BASE-STEP團隊在反物質運輸測試中,將陷阱裝載到卡車上。圖片來源:CERN
存在性問題
反物質是在CERN的反質子減速器中制造的。一個質子束撞擊金屬靶,產生快速移動的反質子噴流。然后,減速器通過磁、電場和其他冷卻方法來減慢這些反質子的速度。6個相關實驗減速并捕獲這些粒子。盡管全球其他實驗室也能夠生成反物質,例如通過粒子碰撞,但CERN是唯一能夠制造、存儲并進一步研究這些粒子的地方。
CERN研究反物質的團隊之一BASE合作團隊(BASE-STEP是它的一部分)測量單個反物質粒子的性質,并與普通物質進行比較。他們正在尋找兩者的差異,未來可能解釋某些謎團,例如為何兩種物質在宇宙大爆炸中沒有以相等數量產生——如果它們真的相等,所有物質會在大爆炸后立即湮滅。
“我們正在試圖理解為何我們存在。” BASE-STEP團隊成員Barbara Maria Latacz說。實驗實際上位于一個大型加速器內部,加速器產生了背景噪聲和雜散磁場。團隊希望能將反質子帶到一個安靜的環境來提高測量精度。“這會改寫現在的局面。”Latacz說。
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BASE-STEP 的陷阱將包含約 1000 個反質子。圖片來源:CERN
BASE-STEP只研究少量粒子,因而計劃將儲存在1噸的實驗裝置中的約1000個反質子運走。而PUMA計劃則需要大約十億個反質子,其研究團隊希望將反質子運送至CERN的ISOLDE設施(The Isotope mass Separator On-Line facility),研究因衰變太快而無法運輸的罕見的原子核。
洞察核結構
通過將這些原子核注入PUMA的陷阱,研究團隊可以觀察反質子與質子和中子的湮滅。這將為科學家提供關于核結構的獨特洞察,特別是關于某些同位素中形成的中子“外皮”的信息。“這是對此真正敏感的唯一探測器。”Obertelli說,“測量難度極高。”
由于 PUMA 需要容納更多的反質子,并配備用于注入同位素和探測湮滅的設備,其陷阱系統比 BASE-STEP 大得多,總重量達 10 噸。Obertelli 說,重型卡車必須繞行一條曲折的 1.5 公里路線前往 ISOLDE,因為直線路徑上有一個急轉彎和一座無法承受其重量的橋梁。
這兩支團隊必須將多種技術整合到一個實驗中,同時“將其推至極限”, Ina Carli說, 她是加拿大溫哥華TRIUMF粒子物理中心的實驗物理學家,在CERN的ALPHA實驗研究反氫。她說,運輸過程中即使發生小小的故障,也可能導致反質子的損失,而準備下一次嘗試將耗費數周時間。
“我一直以為反質子運輸還要多年才能實現。”Carli說。“我真的很興奮,期待一切順利。”
原文以Elizabeth GibneyAntimatter to be transported outside a lab for first time — in a van標題發表在2024年11月26日《自然》的新聞特寫版塊上
? nature
Doi:10.1038/d41586-024-03841-0
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