Only Perception: 製造電子偶素的新方法

2011-07-12

製造電子偶素的新方法

New way to produce antimatter-containing atom discovered
http://www.physorg.com/news/2011-07-antimatter-containing-atom.html

July 11, 2011

加州大學 Riverside 分校的物理學家報告，他們發現一種創造電子偶素（positronium，Ps）的新法，那是一種奇特而短命的原子，能幫忙回答宇宙中的反物質發生了什麼事；宇宙誕生時，為何大自然偏好物質而非反物質。

電子偶素是由電子及其反物質雙胞胎，正電子（positron）所構成。正電子在開發更精確的正子發射斷層（Positron Emission Tomography 或 PET）掃描以及基礎物理學研究上有其應用。

最近，當 CERN 的科學家使反氫原子受困超過 15 分鐘後，反物質上了頭條。在那之前，反物質存在的記錄不到一秒鐘。

在 UC Riverside 的實驗室中，物理學家首先以雷射光輻照矽樣本。接下來，他們將正電子埋入（implanted）矽的表面。他們發現，雷射光解放了矽電子，那接著與正電子綁定（bind），形成電子偶素。

"透過這種方法，可在廣泛的溫度範圍內，以一種受高度控制的方式，製造大量電子偶素，" David Cassidy 說，物理與天文系的助理計畫科學家，他與同僚進行研究。"其他從表面製造電子偶素的方法需要將樣本加熱到非常高的溫度。在另一方面，我們的方法，幾乎在所有溫度下都有效 -- 包括非常低的溫度。"

Cassidy 解釋，當正電子被埋入材料時，它們有時會塞在表面，在那裡，它們將很快找到電子並湮滅。

"在這項研究中，我們證明，就在正電子抵達之前，先以一道雷射輻照表面、製造電子，諷刺的是，那會幫助正電子離開表面並避免被湮滅，" Allen Mills 說，一位物理與天文學教授，Cassidy 在他的實驗室工作。"它們藉由形成電子偶素，那自發性地從表面發射，而辦到這件事。自由電子偶素的存活時間比留在表面的正電子多 200 倍，所以那很容易偵測。"

研究結果出現在七月15日當期的 Physical Review Letters 上。

研究者之所以在他們的實驗中選擇矽，是因為那在電子學中有廣泛的應用，同時強健、便宜且效率高。

"事實上，在非常低的溫度下，矽對於電子偶素的製造來說，也許是最棒的東西，至少在短暫爆發上，" Cassidy 說。

研究者的最終目標是對電子偶素進行精確的測量，以便更了解反物質及其特性，還有它如何能被隔離一段較長的時間。

Cassidy 與 Mills 的研究還有 Harry Tom，一位教授同時也是物理與天文系系主任，以及 Tomu H. Hisakado，Mills 實驗室的畢業生，參與其中。

在不久的將來，這個研究團隊希望將電子偶素冷卻到更低的能量散發程度以供其他實驗使用，同時也為電子偶素創造出「玻色--愛因斯坦凝聚」 -- 一群量子態均相同的電子偶素原子。

"就真實精確測量（real precision measurements）而論，創造電子偶素的玻色--愛因斯坦凝聚，真的會推進其可能性的邊界，" Cassidy 說。"那樣的測量將闡明更多反物質特性，並幫助我們更進一步探索，為何宇宙中的物質與反物質間存有不對稱性。"

※ 論文尚未刊出，容後補。相關報導：

＊ New Mechanism for Positronium Formation on a Silicon Surface
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.133401