新的反物质陷阱可以帮助解释为什么宇宙没有自毁

反物质是一种很难研究的物质，尤其是因为它会摧毁你试图放入它的任何容器。但是现在，欧洲核子研究中心的物理学家已经开发出一种新的反物质陷阱，可以在几秒钟而不是几小时内冷却样品。这一进步使科学家能够更长时间地研究更大的样本，这可能有助于解开宇宙中一些最大的谜团。

反物质是主宰我们周围世界的常规物质的“邪恶双胞胎”。主要区别在于它的粒子与普通粒子具有相反的电荷，但这种简单的变化有一个主要含义——如果物质和反物质粒子相遇，它们会在能量爆发中相互湮灭。

幸运的是，反物质在当今的宇宙中极为罕见，但科学家们不确定为什么会这样。根据标准模型，大爆炸应该产生等量的物质和反物质，然后它们应该在宇宙真正开始之前发生碰撞并消灭了宇宙的大部分内容。我们现在在这里质疑它的事实表明这并没有发生，但是使天平向物质倾斜的原因仍然是科学中最令人困惑的谜团之一。

不幸的是，反物质的稀有性和波动性使得研究这个问题变得困难。它只能在大型强子对撞机等设施中少量产生，在那里粒子被粉碎在一起产生成对的物质和反物质粒子。然后很难储存——显然你不能把反物质放在罐子里，因为它一接触物质就会消失。

因此，科学家们将反物质储存在所谓的潘宁陷阱中，它使用电磁场将粒子和反粒子悬浮在真空中。这些样品通常被冷却到极冷的温度以降低噪音，但通常用于物质的技术很难应用于反物质。现在欧洲核子研究中心的研究人员开发了这些陷阱的新版本来冷却反物质，这增加了可用于实验的反物质样本量并提高了测量的精度。

激光冷却是领先的技术之一——本质上，当一个原子被激光束击中时，它会吸收然后重新发射光子，从而改变其动量。很难让反物质直接对这种方法做出反应，尽管最近欧洲核子研究中心的另一个项目在该领域取得了突破。相反，反物质可以通过激光冷却附近的离子间接冷却，然后从反物质粒子吸收热量。问题又回到了将物质和反物质放在同一个陷阱中。

因此，对于新版本，欧洲核子研究中心 BASE 合作的科学家将两个 Penning 陷阱与一个 3.5 英寸的超导谐振电路连接起来。一个陷阱包含一团铍离子，而另一个陷阱包含一个反质子。当铍被激光冷却时，能量从反质子通过电路转移到离子，从而冷却反质子。

该团队表示，这种方法可以比平时更快地冷却样品，并达到更低的温度。

“这是精确彭宁陷阱光谱学的一个重要里程碑，”该研究的作者 Christian Smorra 说。“通过优化程序，我们应该能够达到 20 到 50 毫开尔文 (mK) 数量级的颗粒温度，理想情况下，冷却时间为 10 秒数量级。以前的方法使我们能够在 10 小时内达到 100 mK。”

这为更精确的测量铺平了道路，这反过来又可以揭示为什么宇宙中的反物质如此之少。人们相信电荷是物质和反物质之间唯一真正的区别(以及量子数的细微变化)，但最好不要依赖假设。科学家们正在研究反物质的一些基本特性，并将它们与对应的物质进行比较——如果还有什么不同，它可能是解开整个谜团的关键。

“我们的愿景是不断提高我们的物质 - 反物质比较的精度，以更好地理解宇宙学物质 - 反物质的不对称性，”该研究的作者 Stefan Ulmer 说。“新开发的技术将成为这些实验的关键方法，旨在测量亚万亿分之一水平的基本反物质常数。”

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