Nature：反氢原子1s-2p赖曼-α转变的观察结果

诸平 

据英国斯旺西大学（Swansea University）2018年8月22日提供的消息，该大学在欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们,于8月22日在《自然》（Nature）网站发表了一项研究成果（OA），即反氢原子1s能级和2p能级之间赖曼-α转变之观察，详见M. Ahmadi, B. X. R. Alves, C. J. Baker, W. Bertsche, A. Capra, C. Carruth, C. L. Cesar, M. Charlton, S. Cohen, R. Collister, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, E. D. Hunter, C. A. Isaac, M. A. Johnson, J. M. Jones, S. A. Jones, S. Jonsell, A. Khramov, P. Knapp, L. Kurchaninov, N. Madsen, D. Maxwel, J. T. K. McKenna, S. Menary, J. M. Michan, T. Momose, J. J. Munich, K. Olchanski, A. Olin, P. Pusa, C. Ø. Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, D. M. Silveira, D. M. Starko, G. Stutter, C. So, T. D. Tharp, R. I. Thompson, D. P. van der Werf & J. S. Wurtele. Observation of the 1S–2P Lyman-α transition in antihydrogen, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0435-1, https://www.nature.com/articles/s41586-018-0435-1, 此文详细阐述了反氢原子研究的突破。

A positron beam line transports the positrons from the source into the main antihydrogen trap. Credit: Swansea University

科学家们作为阿尔法协作（ALPHA collaboration）的一部分，是由来自世界各地的超过12家机构的研究小组的人员和英国斯旺西大学的迈克·查尔顿教授（Professor Mike Charlton）领导的研究团队一起合作。本项目由物理科学研究委员会（EPSRC）提供资助,获得了在欧洲核子研究中心（CERN）反质子减速器设备的使用权，研究结果于2018年8月22日在《自然》杂志网站发表。

有关实验 

阿尔法小组实验显示了科学家在反氢原子的合成过程中,是如何提高效率,在积累反原子过程中首次获得成功,允许进行更大范围的实验。

迈克·查尔顿教授说:“当一个受激原子松弛时,它会发出特殊颜色的光,钠路灯会发出黄色光是一种司空见惯的例子。因为氢原子只有一个电子和一个质子,激发态的氢原子的受激电子衰变，是从一个更高的能量状态向最低能量状态的跃迁,会发射出一系列离散的紫外线形成赖曼系列（Lyman Series）,所谓赖曼系列是根据西欧多尔·赖曼（Theodore Lyman）的名字命名的，因为他在100多年前第一次看到这种现象。

”这些离散线的存在有助于量子力学理论的建立，量子力学（Quantum Mechanics）是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。 

“赖曼-阿尔法线（Lyman-alpha line）是物理学和天文学的重要基础。例如,在天文观测过程中，来自遥远的发射体的光线是如何转移成为波长更长的光线，这种现象被称为红移。它给了我们提供了宇宙演化的信息,并允许测试模型来预测其未来。”

这个实验是首次赖曼-阿尔法转变，即氢原子的电子在1s态和2 p态之间的转变,发射或吸收121.6 nm波长的紫外线，已经在反氢原子（anti-hydrogen）中被观察到。反氢原子是与氢相对应的反物质,是由一个反质子（anti-proton）和一个反电子（anti-electron）也称为正电子（positron）组成的。

对于这个实验,物理学家在设置的陷阱积累了约500个反氢原子。如果它们无所事事,科学家拥有这样的反氢原子会越来越多，只要它们数小时无损耗。然而,通过用各种颜色的紫外光照射被捕获的原子,研究者可以驱动赖曼-阿尔法转变和激发反氢原子。

检测发现，这些激发态的原子并非被困在装置中,而是构成了反物质,与设备周围的物质作用瞬时湮灭。这个观察十分重要,因为它也是反氢原子属性的另一个测试，是与氢原子属性达成良好的一致性。 这也是超冷反氢原子生产的关键一步,这将大大提高进一步精确研究反原子的控制能力、操作能力和执行能力。

迈克·查尔顿教授说:“这代表原子物理学领域的另一个里程碑式的进步,它将打开捕获反原子动能操纵之门。虽然相关研究还在继续，但是进一步完善这些测量，使用此技术通过光谱学来提高我们对反氢原子的理解,ALPHA研究团队将改进设备，以便研究地球引力对反原子的影响。接下来的几个月将是一个激动人心的时刻。”

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