激光冷却反氢原子，探索反物质世界的新方法
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你可能听说过激光冷却，这是一种用激光束来降低原子或分子的温度的技术。激光冷却的原理是利用原子与光子之间的多普勒效应和辐射压力，使原子吸收和发射光子，从而改变原子的动量和能量。如果激光的频率比原子的共振频率略低，那么原子只有在向激光方向运动时才能吸收光子，而在远离激光方向运动时才能发射光子。这样，原子就会受到一个与运动方向相反的力，使其减速。如果用多束激光从不同方向照射原子，就可以抵消原子的任意运动，使其温度降低到接近绝对零度。
激光冷却的应用非常广泛，比如制造玻色-爱因斯坦凝聚态、实现原子钟、进行量子信息处理等等。激光冷却也可以用来研究一些特殊的原子，比如反氢原子。反氢原子是由一个正电子和一个反质子组成的反物质原子，它是反物质世界中的氢原子。 反氢原子的性质和氢原子的性质应该是完全相同的，这是由物理学的对称性原理所要求的。但是，要验证这一点并不容易，因为反氢原子一旦和普通物质接触，就会立刻湮灭，释放出大量的能量。所以，要研究反氢原子，就必须把它们隔离在真空中，并用磁场或电场来约束它们，防止它们和周围的物质发生反应。 但是，即使这样，反氢原子也不会乖乖地待在一个地方，它们会不断地运动，而且运动的速度很快。反氢原子的运动速度决定了它们的温度，而温度越高，反氢原子就越容易逃逸出约束区域，或者和其他反氢原子发生碰撞，导致湮灭。因此，要想更好地观测和测量反氢原子，就需要把它们的温度降低，使它们的运动减慢。这就是激光冷却反氢原子的目的。 激光冷却反氢原子的难点在于，反氢原子的能级结构和氢原子的能级结构虽然相同，但是反氢原子的能级之间的跃迁频率却和氢原子的不一样。这是因为反氢原子的质心运动会导致一个多普勒位移，使得反氢原子的共振频率发生变化。这个多普勒位移的大小取决于反氢原子的速度，而速度又取决于温度。所以，要想用激光冷却反氢原子，就需要用一种能够适应反氢原子不同速度的激光，也就是一种宽带的激光。
这就是一篇最近发表在《物理评论快报》上的论文所做的工作。这篇论文的作者利用了一种长脉冲的亚历山大石激光，来对自由飞行的反氢原子进行激光冷却。他们选择了反氢原子的1³S-2³P跃迁，这是一个三重态的跃迁，也就是说反氢原子的正电子和反质子的自旋都是向上的。这个跃迁的波长是243纳米，也就是紫外光的范围。 他们用这种激光强烈地饱和了这个跃迁，使得反氢原子在吸收和发射光子的过程中，受到了一个与运动方向相反的力，从而减速。他们观察到了两种激光引起的效应。第一种效应是反氢原子在1³S态的数量增加了，这是因为激光促使反氢原子从寿命较长的3³P态跃迁回1³S态。第二种效应是反氢原子的温度降低了，从380(20)K降到了170(20)K。他们还证明了反氢原子中最冷的部分的比例增加了58(9)%。 这篇论文的意义在于，它是第一次实现了反氢原子的激光冷却，而且是在自由飞行的条件下，而不是在约束的条件下。这为进一步降低反氢原子的温度，提高反氢原子的密度，延长反氢原子的寿命，以及进行更精确的反氢原子光谱测量等实验，提供了一个新的途径。这些实验都是为了验证反氢原子和氢原子是否完全相同，以及探索反物质和物质之间的对称性和不对称性。 |
