蘭姆在研究氫譜精細結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了蘭姆位移； 庫什在電子矩陣的精確測量中發(fā)現(xiàn)了反常電子矩陣。 兩者都對量子電動力學的發(fā)展做出了重大貢獻。
蘭姆位移通常是指氫原子的兩個能級2S（1/2）和2P（1/2）之間的微小能量差。 這種差異最早是由蘭姆在1947年通過實驗發(fā)現(xiàn)的。它的發(fā)現(xiàn)在當時引起了轟動，因為它與著名物理學家保羅·狄拉克提出的狄拉克方程（綜合了量子力學和狹義相對論）的預期不一致，這直接導致了量子電動力學的誕生。 。
在量子電動力學中，這種能級差異被解釋為是電子不斷吸收和發(fā)射光子造成的，該理論也準確地提出了光子吸收和發(fā)射對電子磁動量影響的計算方法。電子。 計算結(jié)果也與實驗結(jié)果一致，量子電動力學因此被當今物理學家視為20世紀物理學的重大變革之一。
然而，盡管科學家早在1995年就成功觀察到了反氫原子存在的跡象，但人們對反粒子的了解仍然“知之甚少”。 不過庫什物理學家，近日在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中，此前刷新了反氫譜觀測準確性的歐洲核研究組織ALPHA項目團隊認為，他們在近期的研究中在反氫原子方面取得了突破。 成功觀察到羔羊移位。
根據(jù)標準模型，宇宙中存在與粒子相反的反粒子。 反粒子與正電子粒子具有相同的質(zhì)量，但具有與正電子粒子相反的特定物理性質(zhì)（例如，帶有電子的反粒子帶正電）。 當它們遇到正電子粒子時，它們就會被摧毀，只留下能量。 盡管大爆炸可能產(chǎn)生了等量的正粒子和負粒子，但“為什么我們通常所說的正粒子，也就是我們通常所說的物質(zhì)，最終在大爆炸后大量保留下來？為什么反粒子沒有留下來？” 這仍然是當代物理學需要回答的基本問題之一，反粒子相關(guān)的研究希望找到這個問題的答案。
在研究中，ALPHA項目團隊通過使用反質(zhì)子還原劑（ ）提取反質(zhì)子，然后將其與鈉22的正電子結(jié)合庫什物理學家，從而制造了反氫原子。 該原子由一個反質(zhì)子和一個正電子組成），然后將反氫原子“鎖定”在位于長約28厘米、直徑約4厘米的圓柱形空間內(nèi)的磁井中（防止與正離子相遇而消失），然后用激光照射這些捕獲的反氫原子，通過傳感器收集它們被激光照射后的反應，最后將分析結(jié)果與氫數(shù)據(jù)進行比較，進而確定研究重點。 反氫原子的觀測結(jié)果是否與理論預期一致。
圖| ALPHA的實驗設備示意圖（來源：）
根據(jù)論文中描述的實驗方法，本研究中，ALPHA項目團隊通過觀察特定能級下反氫原子的精細結(jié)構(gòu)（Fine），測量了單位磁場強度下反氫原子的光致躍遷頻率。 然后，在建立了“該效應的作用機制和超精細結(jié)果”的假設下，得出了“反氫原子中存在蘭姆位移”的結(jié)論。
最終數(shù)據(jù)顯示，計算出的能級差結(jié)果與量子電動力學理論期望值的吻合度高達98%左右。 結(jié)合團隊之前測量的反氫原子的高精度1S到2S軌道能級，得到躍遷頻率。 研究數(shù)據(jù)分析表明，觀測結(jié)果與經(jīng)典蘭姆位移理論預期的該能級反氫原子躍遷頻率值大致一致。 因此，ALPHA項目團隊能夠確定這里確實發(fā)生了蘭姆位移。 這是在反氫原子觀察實驗中觀察到的。
圖片| ALPHA實驗設備外觀圖（來源：阿爾法）
據(jù)悉，自2007年ALPHA項目完成反氫粒子建模并提出實驗設備設計方案以來，已經(jīng)過去十多年了。 在此期間，項目組從理論建模到設備構(gòu)思，一點一滴從零開始。 如何捕獲反氫粒子，一路嘗試捕獲又如何探測，終于在2018年實現(xiàn)了破紀錄的反氫原子觀測精度，2019年下半年又取得了論文中描述的新突破，證實了它的存在。可以說是“十年磨一劍”。
在應用方面，物理學家可以通過將反粒子的觀測結(jié)果與相應正電子的數(shù)據(jù)進行比較，來測試一種稱為 CPT 對稱性（CPT 分別代表時間、電荷和空間）的宇宙對稱模型。 對稱）。
任何與標準模型和對稱理論不一致的觀測結(jié)果都可能動搖現(xiàn)代粒子物理的基礎，而與標準模型和對稱理論一致的觀測結(jié)果將進一步鞏固其在現(xiàn)代物理學中的基石地位。 更重要的是，通過分析結(jié)果并與理論預期進行比較，甚至在出現(xiàn)差異時及時對理論進行修正，有望回答“為什么我們目前能觀測到的宇宙普遍由正粒子組成”的問題。 ？” （即物質(zhì)的組成）”提供了線索。
盡管直到近幾年物理學家才實現(xiàn)了反氫粒子的高精度觀測，但現(xiàn)有的與本研究類似的高精度反粒子觀測實驗的結(jié)果無疑代表了當前“反氫原子嚴格光譜學的建立” ”。 ”已成為可能。
正如論文中所寫，這一發(fā)現(xiàn)進一步證明了研究中使用的觀察方法的有效性。 未來可能會用同樣的方法對反氫粒子的其他性質(zhì)進行高精度觀測。 而這一發(fā)現(xiàn)本身無疑可以被視為現(xiàn)代反粒子研究領域的重大進展。
