米乐m6官方网站 成功利用激光在百万分之一秒内将最简单的“原子”正电子素带到低温

由东京大学工学研究生院 Yoshitaka Yoshioka 副教授和 Kenji Chou 助理教授以及该大学理学研究生院 Akira Ishida 助理教授领导的研究小组正在与高能加速器研究机构 (KEK) 材料结构科学研究所和日本国立先进产业技术研究所合作使用激光正电子（注1）的快速冷却。

通过使用独特开发的激光光源，自理论提出以来，正电子素的实现已经等待了30年激光冷却（注2）），证明可以在百万分之一秒内使气体比以前冷一个数量级。太空物理学反粒子（注3）剩余的数量有多么少）以及暗物质的起源。为了解决这个问题，世界各地都在进行研究，以验证基础理论的缺陷到底在哪里。这项研究成果将使得研究能够利用最基本的原子（仅由电子及其反粒子组成）来检验基础理论如何准确地代表现实，以及反粒子质量和重力的影响，并有望在未来形成一个重大的跨学科研究领域。

<研究背景>

现代物理学充满了许多重要的谜团，包括暗物质的身份以及为什么宇宙中反物质如此之少。为了获得解开这些谜团的线索，世界各地正在进行研究，以发现现有理论无法涵盖的现象。主题不仅是太空中发生的现象，而且还在地球上进行实验，使用大型加速器使粒子相互碰撞，以模拟宇宙诞生后立即发生的情况。除了此类实验之外，还进行了一些实验，通过在真空中制备已冷却至接近绝对零的原子和分子并使用光对其进行检查，来灵敏地检测由于粒子的存在而可能发生的未知现象或性质的轻微变化。这种研究称为精密光谱学。

正电子是一种由相互吸引的一个电子和一个正电子组成的“原子”。几乎所有其他原子（包括氢）的原子核都是由许多基本粒子组成的。另一方面，正电子素是仅由两个基本粒子组成的原子，由于其简单性，与普通原子不同，可以根据现有理论和实验数据进行紧密比较计算。因此，如果正电子素能够被冷却到接近绝对零，就有可能利用精密光谱来研究是否存在超出现有物理理论范围的现象。此外，由于正电子是电子的反粒子，因此有可能澄清仍笼罩在神秘之中的反粒子的性质。换句话说，降低正电子素的温度是研究进展的重要关键。

在真空中制备正电子素的一种方法是用人工产生的正电子照射固体材料。本研究中使用了二氧化硅气凝胶。如果用于制造正电子素的材料被冷却，释放到真空中的正电子素气体的温度也会下降，但众所周知，温度极限在100开尔文左右，这远非绝对零。另一方面，通过重复使原子吸收激光然后发射光的过程，我们可以减慢构成气体的原子的速度，或者换句话说，冷却气体。这被称为激光冷却，人们希望如果这项技术能够应用于正电子素，就有可能将其冷却到接近绝对零。

电子和正电子互为反粒子，当它们接触时有一定概率湮灭成伽马射线。这称为湮灭，对于正电子素来说，其数量在大约 100 纳秒（百万分之一秒）内减半。因此，它的冷却必须在这么短的时间内完成。另外，由于正电子素极轻，其吸收和发射光的速度变化很大，多普勒效应使得用通常用来冷却原子的方法无法继续进行激光冷却。大约30年前，理论上就讨论了激光冷却正电子素的可能性，但一直未能实现能够解决这些问题的激光束。
 

<研究内容>

吉冈副教授的小组开发了一种比传统观点更快地改变激光波长的方法。这种激光器每百万分之一秒发出强烈的紫外线，随着正电子素的减速，波长会随着每次闪光而变化。我们认为，通过使用这种独特开发的光的激光冷却新方法，可以在大部分正电子素湮灭之前快速冷却它。

该实验是与高能加速器研究机构 (KEK) 和国立先进产业技术研究所 (AIST) 联合进行的。激光冷却演示实验（图1）是在KEK材料结构科学研究所的慢正电子实验设施中进行的。首先，东京大学科学研究生院粒子物理国际研究中心开发了真空装置和测量正电子产生量和寿命的装置。 KEK 研究人员提供高强度慢速正电子束，并将正电子照射到产生正电子素的材料上，瞬间产生正电子素。此时，通过仔细设计对于正电子传输至关重要的磁场的空间分布，我们成功地使激光照射的空间中的磁场变得极小。这对于避免缩短正电子素的寿命很重要。日本产业技术研究院的研究人员还开发了正电子束聚焦装置和高效率生产正电子素的材料。这些在获得足够的信号量以清楚地展示激光冷却方面发挥了重要作用。

测量正电子素速度的实验结果（图2）证明，快速的正电子素被波长时刻变化的光还原，并有效地冷却到以前从未观察到的极慢的正电子素。此外，模拟表明，这种特殊的激光在实验结果中具有缓慢、几乎静止的成分，很难观察到，从而可以实现比传统方法低一个数量级的温度，接近1开尔文的冷却极限。

<未来展望>

在这项研究中，我们演示了三维速度分布的一维激光冷却。未来通过将其扩展到三维激光冷却，我们将能够推进精密光谱学的研究。具体来说，它构成了粒子物理标准模型的重要组成部分。量子电动力学（注4），精确测量反粒子的质量，测量重力作用于反物质的影响。此外，通过增加正电子素的密度，可以玻色-爱因斯坦凝聚（注5）以及对宇宙诞生后反物质行为的理解。这项研究是利用原子（包括反粒子）发展精密物理学的重要一步，这是一个涵盖工程、光学科学和粒子物理学的跨学科领域。

“新闻稿：成功可视化世界最低温度激子中形成的玻色-爱因斯坦凝聚体”(2022/09/16)
https://wwwsu-tokyoacjp/ja/press/8081/

这项研究得到了文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP) JPMXS0118067246、日本科学技术振兴机构紧急研究支持项目（项目编号：JPMJFR202L）、日本学术振兴会科学研究补助金（项目编号：JP16H04526）的支持JP17H02820)、JP17H06205、JP17J03691、JP18H03855、JP19H01923、JP21K13862、JP22KJ0637、JP24H00217)、住友财团基础科学研究补助金、松尾科学振兴财团、三丰科学技术振兴协会、Photon科学技术研究基金会和三菱基金会。实验在KEK材料结构科学研究所慢速正电子实验装置SPF-B1站进行，采用光子工厂联合使用实验项目2020G101、2022G087和2023G660。

（注1）正电子

电子和正电子（电子的反粒子）通过电磁相互作用相互吸引，类似于由电子和质子组成的氢，并成为称为正电子素的“原子”。它于1951年通过实验发现。它是最轻的原子，呈电中性，质量为两个电子。正电子也是最简单的原子，因为电子和正电子都是称为轻子的基本粒子。质子是由三个夸克通过强力结合在一起组成的复合粒子，不是基本粒子。根据电子和正电子自旋之间的关系，有两种类型的正电子素：对位正电子素，其寿命约为十亿分之一秒，以及正正电子素，其寿命约为1/10,000,000,000秒。在这项研究中，我们冷却了寿命较长的正正电子素。[返回来源]

(注2)激光冷却

原子具有吸收特定波长的光子，然后发射光子以返回其原始状态的特性。光子具有动量，因此在这些过程中，原子接收与吸收或发射的光子相反方向的反冲动量。激光是沿固定方向行进的排列光子的集合，当原子吸收与其运动方向相反的激光时，它的速度就会减慢。另一方面，当原子发射光子时，方向是随机的，因此重复吸收激光和随后发射光子会导致原子减慢速度。这就是利用激光冷却原子的原理。必须考虑到，实际上，根据原子运动的速度，原子吸收的光子的波长由于多普勒效应而变化。 1997年诺贝尔物理学奖因激光冷却和捕获原子的建立而被授予。[返回来源]

（注3）反粒子

在电子等基本粒子和质子等多个基本粒子组成的复合粒子中，存在质量和自旋相等但电荷相反的粒子，这些粒子称为反粒子。电子的反粒子是正电子，由安德森于1932年通过实验发现，并于1936年获得诺贝尔物理学奖。[返回来源]

(注4)量子电动力学

使用量子场论框架来描述电子和正电子等带电粒子之间的相互作用（电磁相互作用）的物理理论。在迄今为止已知的现象范围内，这是最准确的理论，可以产生与实验测量结果非常匹配的计算结果。为了获得解决当前物理学面临的谜团的线索，世界各地正在进行研究，将该理论与各种物理系统的精确测量结果进行比较，并寻找尚未纳入理论模型的“东西”。 1965年诺贝尔物理学奖获得者朝永信一郎博士的研究对量子电动力学的建立做出了重大贡献。[返回来源]

（注5）玻色-爱因斯坦凝聚

在接近绝对零的低温世界中，物质的波动性质变得明显，并且气体等粒子群的行为根据粒子是玻色子还是费米子而显着不同。电子和正电子都是费米子，但它们的组合正电子子是复合玻色子。就玻色子粒子而言，当物质作为波的传播与粒子之间的距离变得可比时，即使粒子之间没有吸引力，宏观数量的粒子也会占据总体中最低的能量状态并形成凝聚态。这种现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。这种基于爱因斯坦预言的量子统计力学的相变与超流性和超导性密切相关。 2001 年诺贝尔物理学奖因利用稀原子气体实现这种凝聚态的研究而被授予。[返回来源]