蘭姆在研究氫譜精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了蘭姆位移； 庫(kù)什在電子矩陣的精確測(cè)量中發(fā)現(xiàn)了反常電子矩陣。 兩者都對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。
蘭姆位移通常是指氫原子的兩個(gè)能級(jí)2S（1/2）和2P（1/2）之間的微小能量差。 這種差異最早是由蘭姆在1947年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。它的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)引起了轟動(dòng)，因?yàn)樗c著名物理學(xué)家保羅·狄拉克提出的狄拉克方程（綜合了量子力學(xué)和狹義相對(duì)論）的預(yù)期不一致，這直接導(dǎo)致了量子電動(dòng)力學(xué)的誕生。 。
在量子電動(dòng)力學(xué)中，這種能級(jí)差異被解釋為是電子不斷吸收和發(fā)射光子造成的，該理論也準(zhǔn)確地提出了光子吸收和發(fā)射對(duì)電子磁動(dòng)量影響的計(jì)算方法。電子。 計(jì)算結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，量子電動(dòng)力學(xué)因此被當(dāng)今物理學(xué)家視為20世紀(jì)物理學(xué)的重大變革之一。
然而，盡管科學(xué)家早在1995年就成功觀察到了反氫原子存在的跡象，但人們對(duì)反粒子的了解仍然“知之甚少”。 不過(guò)庫(kù)什物理學(xué)家，近日在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中，此前刷新了反氫譜觀測(cè)準(zhǔn)確性的歐洲核研究組織ALPHA項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們?cè)诮诘难芯恐性诜礆湓臃矫嫒〉昧送黄啤?成功觀察到羔羊移位。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，宇宙中存在與粒子相反的反粒子。 反粒子與正電子粒子具有相同的質(zhì)量，但具有與正電子粒子相反的特定物理性質(zhì)（例如，帶有電子的反粒子帶正電）。 當(dāng)它們遇到正電子粒子時(shí)，它們就會(huì)被摧毀，只留下能量。 盡管大爆炸可能產(chǎn)生了等量的正粒子和負(fù)粒子，但“為什么我們通常所說(shuō)的正粒子，也就是我們通常所說(shuō)的物質(zhì)，最終在大爆炸后大量保留下來(lái)？為什么反粒子沒(méi)有留下來(lái)？” 這仍然是當(dāng)代物理學(xué)需要回答的基本問(wèn)題之一，反粒子相關(guān)的研究希望找到這個(gè)問(wèn)題的答案。
在研究中，ALPHA項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用反質(zhì)子還原劑（ ）提取反質(zhì)子，然后將其與鈉22的正電子結(jié)合庫(kù)什物理學(xué)家，從而制造了反氫原子。 該原子由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)正電子組成），然后將反氫原子“鎖定”在位于長(zhǎng)約28厘米、直徑約4厘米的圓柱形空間內(nèi)的磁井中（防止與正離子相遇而消失），然后用激光照射這些捕獲的反氫原子，通過(guò)傳感器收集它們被激光照射后的反應(yīng)，最后將分析結(jié)果與氫數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而確定研究重點(diǎn)。 反氫原子的觀測(cè)結(jié)果是否與理論預(yù)期一致。
圖| ALPHA的實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖（來(lái)源：）
根據(jù)論文中描述的實(shí)驗(yàn)方法，本研究中，ALPHA項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察特定能級(jí)下反氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)（Fine），測(cè)量了單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下反氫原子的光致躍遷頻率。 然后，在建立了“該效應(yīng)的作用機(jī)制和超精細(xì)結(jié)果”的假設(shè)下，得出了“反氫原子中存在蘭姆位移”的結(jié)論。
最終數(shù)據(jù)顯示，計(jì)算出的能級(jí)差結(jié)果與量子電動(dòng)力學(xué)理論期望值的吻合度高達(dá)98%左右。 結(jié)合團(tuán)隊(duì)之前測(cè)量的反氫原子的高精度1S到2S軌道能級(jí)，得到躍遷頻率。 研究數(shù)據(jù)分析表明，觀測(cè)結(jié)果與經(jīng)典蘭姆位移理論預(yù)期的該能級(jí)反氫原子躍遷頻率值大致一致。 因此，ALPHA項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠確定這里確實(shí)發(fā)生了蘭姆位移。 這是在反氫原子觀察實(shí)驗(yàn)中觀察到的。
圖片| ALPHA實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀圖（來(lái)源：阿爾法）
據(jù)悉，自2007年ALPHA項(xiàng)目完成反氫粒子建模并提出實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)方案以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去十多年了。 在此期間，項(xiàng)目組從理論建模到設(shè)備構(gòu)思，一點(diǎn)一滴從零開(kāi)始。 如何捕獲反氫粒子，一路嘗試捕獲又如何探測(cè)，終于在2018年實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的反氫原子觀測(cè)精度，2019年下半年又取得了論文中描述的新突破，證實(shí)了它的存在。可以說(shuō)是“十年磨一劍”。
在應(yīng)用方面，物理學(xué)家可以通過(guò)將反粒子的觀測(cè)結(jié)果與相應(yīng)正電子的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來(lái)測(cè)試一種稱為 CPT 對(duì)稱性（CPT 分別代表時(shí)間、電荷和空間）的宇宙對(duì)稱模型。 對(duì)稱）。
任何與標(biāo)準(zhǔn)模型和對(duì)稱理論不一致的觀測(cè)結(jié)果都可能動(dòng)搖現(xiàn)代粒子物理的基礎(chǔ)，而與標(biāo)準(zhǔn)模型和對(duì)稱理論一致的觀測(cè)結(jié)果將進(jìn)一步鞏固其在現(xiàn)代物理學(xué)中的基石地位。 更重要的是，通過(guò)分析結(jié)果并與理論預(yù)期進(jìn)行比較，甚至在出現(xiàn)差異時(shí)及時(shí)對(duì)理論進(jìn)行修正，有望回答“為什么我們目前能觀測(cè)到的宇宙普遍由正粒子組成”的問(wèn)題。 ？” （即物質(zhì)的組成）”提供了線索。
盡管直到近幾年物理學(xué)家才實(shí)現(xiàn)了反氫粒子的高精度觀測(cè)，但現(xiàn)有的與本研究類似的高精度反粒子觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果無(wú)疑代表了當(dāng)前“反氫原子嚴(yán)格光譜學(xué)的建立” ”。 ”已成為可能。
正如論文中所寫，這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明了研究中使用的觀察方法的有效性。 未來(lái)可能會(huì)用同樣的方法對(duì)反氫粒子的其他性質(zhì)進(jìn)行高精度觀測(cè)。 而這一發(fā)現(xiàn)本身無(wú)疑可以被視為現(xiàn)代反粒子研究領(lǐng)域的重大進(jìn)展。