本文根据外网报道编译

在3月16日出版的《自然》杂志上，一篇新论文描述了一种潜在可行的方法来测量通常物质和奇异粒子之间的相互作用，比如反质子和不稳定的物质，比如K介子或含有奇异夸克的元素。这项工作可能很有用，因为我们仍然不了解使物质成为我们宇宙中主要形式的不对称性。

《自然》论文截图

这项研究最引人注目的可能是它收集测量数据的令人惊讶的方式。研究小组设法在氦原子核周围放置了一个反质子，该原子核是液氦的一部分，冷却到它充当超流体的位置。然后研究人员测量反质子轨道跃迁发出的光。

为什么会想这样做？

想要对这类事物进行精确测量的原因有很多。一方面，测量将对反物质和奇异夸克的特性敏感，这些特性是短暂的，并且通常在使精确测量具有挑战性的环境中产生。此外，该系统涉及反物质和常规物质之间的相互作用，由于它们难以捕获。最后，这里的特定相互作用——原子核和围绕它的轨道中的物体之间——对宇宙的基本特性很敏感。

在实验中，反物质是反质子——它与质子相反，带等量负电荷。从原子核的角度来看，反质子看起来很像一个病态肥胖的电子：它将占据围绕原子核的能量精确的轨道，但与电子占据的轨道形状不同。就像电子一样，反质子可以通过吸收或发射光子在轨道之间移动。发射光子的能量提供了关于反质子和原子核之间相互作用的信息。这些信息正是研究人员想要的。

然而，进行这些测量提出了一项重大挑战，而不仅仅是因为物质和反物质相互湮灭的趋势。被研究原子的任何运动通常会导致光子相对于其实际值发生红移或蓝移。在高能环境中，这个过程会将特定波长的尖峰变成不精确的模糊，无法为我们提供有用的答案。

尝试一些没有用的东西

避免这个问题的最简单方法是减慢原子速度，这意味着冷却它们。然而氦气充分冷却将产生超流体——原子将流动而不会因粘度而损失能量。这种转变有可能使事情变得更糟。过去，研究人员的目标是转变温度，此时液氦的密度最高（而且它的密度明显高于氢气，否则这可能是此类实验的一个选择）。

但这些实验并没有奏效，因为测量产生了广泛移动的成像样本典型的宽峰。研究人员推测了为什么这些实验没有奏效，但新工作支持其中一种解释，我们后面会回到它。

在任何情况下，实验装置都涉及到一些回收利用可能会被丢弃的反质子。欧洲核子中心正在生产反质子以用于产生反氢原子，但这个过程只适用于低于一定能量的反质子。

反质子被引导到液氦中，其中一些氦原子被电离，这意味着它们失去了两个电子中的一个。这样反质子可以进入轨道，在反质子遇到某种物质并以一团能量消失之前的短暂时间内产生类似于中性原子的东西。

当然，事情并没有那么简单。反质子将带着大量能量到达并最终占据一个遥远的轨道。但这些轨道是如此遥远，以至于它们位于被剩余电子占据的电子云之外。这使得它们很容易被物质湮灭。因此，反质子一旦到达那里就必须迅速失去能量，使它们能够落入电子云中。研究人员在反质子和氦相互作用时观察光子。他们发现了几个轨道跃迁，因此能量损失显然是以合理的效率发生的。作者剩余的测量集中在测量其中一个转变上。

有用！

在高于液氦——超流体的转变温度下，相变产生了一个宽峰而非尖峰。随着温度的下降，峰变窄，最终在转变温度下分成两个不同的峰。这种超精细分裂是由反质子和氦核之间的相互作用引起的。可以以这种精度水平检测到它的事实表明，实验系统可以用来告诉我们这些相互作用背后的反物质和基本物理。

之前测量液氦中分子特性的尝试失败时，为什么这个实验会奏效？研究人员认为，他们的成功主要是因为他们实际上是在测量一种奇怪形式的氦。在其他情况下，研究人员测量了溶解在氦中的分子，产生了非常不同的行为。（一个建议是氦在溶解在其中的任何分子周围形成一个笼子，并且这个笼子足够大，可以让分子自由移动。）

研究人员对这一过程可以更普遍地用于获得此类测量结果的想法感到兴奋。从技术上讲，任何中等大小、带负电的粒子都可以放在围绕氦核的轨道上，只要它可以足够慢——研究人员特别提到了“包括奇异夸克的带负电的介子和超子”。作者认为，具有不寻常核成分的氦也可以发挥作用。

论文详细内容可参考：《自然》，DOI：10.1038/s41586-022-04440-7