CERN正在建造用來儲存和運輸反物質的容器

據外媒報道,歐洲核子研究中心(CERN)正在研究儲存和運輸反物質的方法從而能更好地研究反質子以了解更多關於它們和宇宙的本質。反物質是宇宙中最大的謎團之一,自20世紀中葉被證實存在以來一直困擾着科學家們。

CERN正在建造用來儲存和運輸反物質的容器

盡管反物質的粒子跟它們對應的物質具有相同的質量,但它們卻有着相反的電荷和其他量子差異。這意味着,當物質和反物質相遇時,它們都在伽馬射線和中微子的巨大閃光中湮滅。

這造就了壯觀的亞原子焰火,但也引發了一個大問題。根據宇宙如何形成的標准理論,物質和反物質的比例應該是相等的。如果是這樣的話,那麼要麼宇宙不存在要麼我們擁有廣闊的空間用來噴撒伽瑪射線–因為物質和反物質在邊緣混合。

CERN正在建造用來儲存和運輸反物質的容器

然而反物質極其罕見。它身上究竟發生了什麼?它是否僅限於我們看不見的遙遠星系?是否因為創造了如此多的物質以至於湮滅了所有的反物質,現在的宇宙是由剩餘的物質組成?反物質中是否可以從早期宇宙中看到或它們都是通過跟原子和宇宙射線的相互作用產生?還是基本理論有誤?這些問題的答案都將揭示許多關於宇宙的本質和歷史,所以物理學家非常渴望了解更多關於反物質–尤其是反質子–的東西。據悉,除了電荷之外,反質子幾乎跟質子相同。如果存在其他差異,這些可能會提供重要線索。

在CERN里,反質子是通過實驗室的質子同步加速器向金屬目標發射質子束產生的。這些反質子具有非常大的能量–約在3500兆電子伏左右,所以在對它們進行研究之前需要將它們減速為緩慢的或「冷卻」的反質子。這項工作則在反質子減速機中完成,其通過讓一束反質子穿過一層薄金屬箔然後將它們減速到5.3兆電子伏。

然而這還不夠,於是CERN使用了超低能量反質子(ELENA)機器進而通過利用等離子體將反質子的速度降低到只有90kev。這雖然是可行的,但大量的反質子卻遭到摧毀,剩下的反質子需要數千年才能產生一毫微克的反物質。

CERN正在建造用來儲存和運輸反物質的容器

遺憾的是,CERN的反物質工廠還有另一個問題。一旦反質子產生並冷卻人們該如何研究它們呢?工廠里的磁性環境對於精密的實驗來說太吵了,所以反質子需要被儲存並轉移到另一個設備。這很棘手,因為你不能直接把它們塞進設備里。事實上,它們需要一個容器,在那里它們不會碰任何東西,並且可以很容易地移動。

為了實現這一目標,CERN研究委員會已經批准在兩個實驗的基礎上開發一個變種–BASE-STEP和PUMA以生產更穩定、更緊湊的版本,它可以用來建造可以用小卡車運輸的設備。這兩項實驗將被結合起來以形成一個單元,其中一個單元用於捕獲並釋放反質子,另一個單元則用來存儲反質子。

BASE-STEP是一個在為了運輸而加固的超導磁體內的彭寧離子阱。該裝置由液氦冷卻,使用均勻的軸向磁場和不均勻的四極電場來捕獲和釋放反質子。這聽起來很簡單,但裝置長度卻超過6英尺(1.9米),重一噸。

而與此同時,PUMA是一個雙區陷阱,位於一個一噸重的超導螺線管磁體內。產生的磁場可以保持反質子,與此同時使它們長時間不跟物質接觸。

當2023年完成並投入使用時,新的存儲設備將被用來將反物質從反物質工廠轉移到CERN的ISOLDE設施中。據悉,該設施用於研究奇異的核物理。除了比較反質子和質子之外,反物質還將被用來轟擊壽命較短的元素以確定其原子核表面的質子和中子的相對密度,而這將提高我們對中子星內部的了解。

來源:cnBeta