奇异粒子为物质和反物质提供更深入的了解

事物反物质例证

在欧洲核和粒子物理实验室c在美国,物理学家可以制造极其罕见的短命原子和分子。来自鲁汶大学(KU Leuven)的研究人员已经表明,这些粒子引领了通往核物理和粒子物理未知领域的道路。

日内瓦欧洲核研究中心的最古老的活跃装置之一是Isolde实验室。这是在20世纪60年代,放射性 - 和因此不稳定的 - 颗粒中由质子和中子的异国组合组成的颗粒以来,通过将能量质子束送到一块铀中来创建。生产后,颗粒被电离并加速。电磁场的使用使得可以基于它们的质量来对这些颗粒进行分类并将它们锁定在“陷阱”中进行几毫秒。

Next, packages of well-chosen isotopes (atomic nuclei with a specific number of protons and neutrons – thus a specific mass) are sent through various experimental set-ups, making it possible to examine the properties of these highly unusual or ‘exotic’ combinations of protons and neutrons in greater detail. Researchers have been doing this for over fifty years at the ISOLDE lab, which is currently led by Gerda Neyens, professor of nuclear physics at KU Leuven. The lab is still one of the world’s leaders in its field, precisely because it keeps developing new experiments, and because it continues to refine the methods for the production and selection of the most exotic isotopes.

非常灵敏和精确的测量

2014年,一种新的测量装置投入使用,使确定高度奇异的原子核的大小和电磁特性成为可能。这种技术被称为共激离电离光谱(CRIS),极其敏感,非常精确。即使对于非常少量的同位素,该技术也可用于测量。结果,最近成为第一次可以使用非常高的精度来研究最具异国情调的原子核的大小。“在开发克里斯的开发时,我们希望将敏感性提高五百因素,与现有方法相比,精度十倍,”Gerda Neyens说。“我们成功了。”

共激离电离光谱

共振相应电离光谱(CRIS)使得可以确定高度异国原子核的尺寸和电磁特性。信贷:©CERN

Neyens以前的博士生Ruben de Groote,在鲁汶大学获得了他的核物理博士学位,在这一发展中发挥了领导作用。作为他博士研究的一部分,德·格鲁特改进了CRIS技术,使其灵敏度足以检验核物理的基本原理。首先,他能够制造和研究所谓的超奇异原子核,这种原子核只存在不到一秒。其中包括大约20种不同的铜元素同位素(铜的原子核中有29个质子)。“原子核中的质子数决定化学性质的原子,它在与其他元素的反应中的表现方式,De Groote解释道。“但是核心中的中子的数量决定了其物理性质,例如原子核的大小和重量,或其寿命。”

中子也是至关重要的,以通过强大的核力保持核中的质子。Neyens:“在铜的情况下,我们还不知道我们可以添加到29个质子中的多少中子。”换句话说,中子数量的上限仍然是未知的。不同的理论模型各自预测不同的限制。“我们的研究旨在确定最异乎寻常的同位素的性质,以便我们可以测试这些模型,”De Groote说。

大多数异乎寻常的铜同位素

通过提高CRIS方法的灵敏度和精度,de Groote能够绘制各种铜核的大小,包括包含49个中子的铜-78同位素的大小。这使他得以在“核图”上探索未知的领域。这是一个令人印象深刻的壮举,因为他们能够研究的最奇特的铜同位素(铜-78)每秒只能产生20个副本。更重要的是,这些原子核仅存在335毫秒。

isolde实验室

顶视图在有几个实验梁线的isolde大厅的一部分。信贷:©CERN

De Groote能够表明,正如所预期的那样,当添加中子时,铜核的大小随着原子数逐渐增加,但是当核中存在46个中子时,这种趋势突然停止。从这一点开始,直到铜-78直到铜线保持恒定。With 49 neutrons, this isotope is close to the ‘magical’ number 50. “Nuclei with 50 neutrons turn out to be much more robust than other nuclei,” says de Groote, “even though these copper nuclei contain almost three times as many neutrons as protons.” The study by de Groote was published in自然物理学

“我们已经放大了核图表的异国情调但关键的地区,这使我们能够测试最新的核物理模型,”Neyens补充道。在核图表上,所谓的双重神奇核是锚点。“这些核是我们模型的基石,这些模型描述了如何,例如,强核力量将核持有。这种力比例如电磁力更难以描述,因为它作用于原子核的基本构件,夸克。描述从亚核颗粒之间的强且弱相互作用开始的核特性仍然是这一天的挑战。“

物质和反物质之间的平衡

CRIS技术铺平了更多关于核物理学的洞察力的方式,但其潜在的应用超出了这一点。物理学家还可以使用它来找到关于我们宇宙最基本的问题的答案。测量方法也可用于检查异端分子,其中其中一个原子含有放射性核。在Isolde实验室中,这种放射性分子是第一次生产的,之后可以用Cr CR CRET方法检查它们。“我们研究过的分子(RAF或氟化酰氟化酰氟化镓)的性质仅在理论上已知,因为这些分子仅存在放射性形式中,”Neyens说。“我们的测量表明,量子化学的理论预测是正确的,因此这些分子足够敏感以检测粒子物理标准模型中的偏差。”yabovip2021

Gerda Neyens教授

Gerda Neyens教授在Isolde Lab(从左到右)研究人员Ronald Garcia Ruiz,Adam Vernon和Agi Koszorus。信用:©Ku Leuven - Rob Stevens

Cern物理学家已经表明,RAF分子可用于寻找所谓的电偶极矩。如果发现其中一个,那将意味着不仅有磁性北极和南极,而且还有电杆也是如此。这种电力偶极子也令人着迷的宇宙学家,因为它的存在可以解释为什么宇宙中物质与反物质之间的平衡是歪曲的。事实上,几乎没有任何反物质,即使事项和反物质必须起源于相等的数量大爆炸发生。

自然刚刚发表了一篇文章,其中罗纳德加西亚鲁伊斯(他也在Neyens团队的Ku Leuven获得了博士学位,现在已隶属于麻省理工学院)和鲁比德Goote表明,可以彼此产生和分离不同的RAF同位素,并且它们的化学性质是完美的,可以搜索与标准模型的偏差。Neyens和De Groote目前正在与Garcia Ruiz建立合作,了解电动偶极矩的重新搜索。De Groote:“我们希望进一步缩小最敏感的测量与偶极矩的理论上预测值之间的差距,根据标准型号,这是令人难以置信的。”

是第一个评论在“异国情调的粒子上提供更深层次的洞察力和反物质”

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