在3月16日出版的《自然》雜誌上，壹篇新論文描述了壹種潛在可行的方法來測量普通物質與奇怪粒子之間的相互作用，例如反質子和不穩定物質，例如k介子或含有奇怪誇克的元素。這項工作可能是有用的，因為我們仍然不理解使物質成為我們宇宙中主要形式的不對稱。
也許這項研究最引人註目的是它收集測量數據的令人驚訝的方式。研究小組設法在氦核周圍放置了壹個反質子，氦核是液氦的壹部分，冷卻到它充當超流體的程度。然後，研究人員測量了反質子軌道躍遷發出的光。
妳想精確測量這樣的東西有很多原因。壹方面，測量將對反物質和奇異誇克的屬性敏感，這些物質是短暫的，通常發生在使精確測量具有挑戰性的環境中。此外，該系統涉及反物質和常規物質之間的相互作用，因為它們很難被捕獲。最後，這裏的特定相互作用——原子核和圍繞它的軌道上的物體之間的相互作用——對宇宙的基本特征很敏感。
在實驗中，反物質是反質子——它與質子相反，帶相同的負電荷。從原子核的角度來看，反質子看起來像壹個病態肥胖的電子:它將占據圍繞原子核的精確軌道，但它與電子占據的軌道不同。像電子壹樣，反質子可以通過吸收或發射光子在軌道之間移動。發射光子的能量提供了反質子和原子核之間相互作用的信息。這些信息正是研究人員想要的。
然而，進行這些測量提出了壹個重大挑戰，不僅僅是因為物質和反物質相互湮滅的趨勢。所研究的原子的任何運動通常會導致光子相對於其實際值的紅移或藍移。在高能環境下，這個過程會把特定波長的峰值變成不準確的模糊，無法給我們提供有用的答案。
避免這個問題的最簡單的方法是減慢原子的速度，這意味著冷卻它們。然而，氦的充分冷卻將產生超流體——原子將流動而不會由於粘性而損失能量。這種變化可能會讓事情變得更糟。在過去，研究人員的目標是改變溫度，此時液氦的密度最高(而且其密度明顯高於氫氣，否則可能是此類實驗的壹個選項)。
然而，這些實驗並沒有起作用，因為測量產生了寬峰，這是廣泛移動的成像樣品的典型特征。研究人員推測了這些實驗失敗的原因，但這項新工作支持其中壹種解釋，我們稍後將回到這壹點。
無論如何，實驗裝置涉及壹些可能被丟棄的反質子。CERN正在制造反質子來產生反氫原子，但是這個過程只適用於壹定能量以下的反質子。
反質子被引導到液氦中，壹些氦原子被電離，這意味著它們失去了兩個電子中的壹個。這樣反質子就可以進入軌道，在短時間內產生類似中性原子的東西，然後遇到東西，帶著壹團能量消失。
當然沒那麽簡單。反質子將帶著大量能量到達，並最終占據遙遠的軌道。但是這些軌道是如此的遙遠，以至於它們在剩余電子占據的電子雲之外。這使得它們很容易被物質湮滅。因此，壹旦反質子到達那裏，它們必須迅速失去能量，這樣它們才能落入電子雲。當反質子與氦相互作用時，研究人員觀察到了光子。他們發現了幾個軌道躍遷，所以能量損失顯然以合理的效率發生。作者剩下的測量集中在測量其中壹個轉變。
在高於液氦-超流體轉變溫度的溫度下，相變產生壹個寬峰而不是壹個峰。隨著溫度的降低，峰變窄，最終在轉變溫度處分成兩個不同的峰。這種超精細分裂是由反質子和氦核之間的相互作用引起的。能夠以這種精度檢測到它的事實表明，實驗系統可以用來告訴我們這些相互作用背後的反物質和基礎物理。
為什麽以前測量液氦中分子特性的嘗試都失敗了，這個實驗卻成功了？研究人員認為，他們的成功主要是因為他們實際上正在測量壹種奇怪形式的氦。在其他情況下，研究人員測量了溶解在氦中的分子，並產生了非常不同的行為。壹個建議是，氦在溶解於其中的任何分子周圍形成壹個籠子，這個籠子足夠大，分子可以自由移動。)
研究人員對這壹過程可以更廣泛地用於獲得這種測量結果的想法感到興奮。從技術上來說，只要足夠慢，任何中等大小的帶負電荷的粒子都可以被放置在圍繞氦核的軌道上——研究人員特別提到了“帶負電荷的介子和包括奇異誇克在內的超子”。作者認為，核成分不同尋常的氦也能發揮作用。
這篇論文的詳細內容可以在Nature上找到，DOI:10.1038/s 41586-022-04440-7。