很酷的新技术可以更轻松地测量关键粒子的特性

由 RIKEN 科学家领导的 BASE 合作的科学家开发了一种新的冷却方法，可以更轻松地测量称为磁矩的质子和反质子的特性。这是正在研究的性质之一，以解开为什么我们的宇宙包含物质但几乎没有反物质的谜团。

在标准模型下，我们的宇宙应该具有等量的物质和反物质，但实际上并非如此。为了找出原因，世界各地的科学家正试图发现两者之间的微小差异，以解开这个谜团。一个有希望的途径是探索质子和反质子的磁矩是否存在差异，而位于欧洲核子研究中心的 BASE 实验正试图确定这一点。使用复杂的设备——能够捕获和检测单个粒子的 Penning 阱——过去，BASE 团队能够将质子和反质子磁矩测量的精度提高 30 倍和超过三个数量级，分别导致对物质/反物质对称性的测试达到十亿分之 1.5 的水平，

进行此类实验的困难之一是，要精确测量磁矩，需要将粒子保持在接近绝对零 (-273.15°C) 的温度下。在之前的实验中，低温是通过使用一种称为“选择性电阻冷却”的技术来准备的，这种技术非常耗时，据研究人员称，“类似于掷 100 个面的骰子，试图掷出 1”。

对于发表在《自然》杂志上的当前实验，BASE 合作报告了通过将粒子耦合到激光冷却的 9Be+ 离子云，首次展示了单个质子的“交感冷却”。同感冷却涉及使用激光或其他设备来冷却一种类型的粒子，然后使用这些粒子来传递它们希望冷却的粒子的热量。利用这项技术，该小组同时用激光冷却离子冷却了宏观超导调谐电路的谐振模式，还实现了单个被捕获质子的共感冷却，达到接近绝对零的温度。

最近论文中描述的技术是朝着显着减少骰子流形上的面孔迈出的重要的第一步，其愿景是将表面理想地减少到只有一个。“我们报告了重要的第一步，这种方法的进一步发展最终将导致理想的自旋翻转实验，其中将在几秒钟内制备单个低温质子。这将使我们能够通过一次大约需要一分钟的测量来确定粒子的自旋状态，”领导这项研究的科学家之一克里斯蒂安·斯莫拉 (Christian Smorra) 说。“这比我们之前的磁矩测量要快得多，并且将提高采样统计数据和我们系统研究的分辨率，”马克斯普朗克核物理研究所的博士生 Matthew Bohman 补充道，

“此外，报告的成果不仅适用于质子/反质子磁矩测量。它为精密 Penning 陷阱物理学的工具箱增加了通用新技术，并且在其他核磁矩测量、Penning 陷阱荷质比的超精密比较，甚至在提高产量方面也有潜在的应用。反氢”，BASE 合作发言人兼 RIKEN 基础对称实验室首席科学家 Stefan Ulmer 补充道。

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