科学家用卡车运输质子，为反物质输送铺平道路

Josiah02 · 发表于 2024-10-30 22:19:34

反物质听起来像是科幻小说中的东西，但在 CERN 反质子减速器 (AD)，科学家每天都在制造和捕获反质子。BASE 实验甚至可以将它们控制一年以上——考虑到反物质和物质接触后就会湮灭，这是一个令人印象深刻的壮举。
CERN AD 大厅是世界上唯一一个科学家能够储存和研究反质子的地方。但 BASE 实验的科学家希望有一天能通过他们的子项目 BASE-STEP 改变这一现状：一种用于储存和运输反物质的装置。
最近，科学家和工程师团队用卡车将 70 个质子云运送到欧洲核子研究中心的主站，向这一目标迈出了重要一步。
BASE-STEP 负责人克里斯蒂安·斯莫拉 (Christian Smorra) 表示：“如果你能用质子做到这一点，那么用反质子也一定能做到。唯一的区别在于你需要一个更好的反质子真空室。”
这是首次将松散粒子放入可重复使用的捕集器中，科学家可以在新地点打开捕集器，然后将其中的内容转移到另一个实验中。最终目标是创建从 CERN 到位于其他实验室的实验的反质子传送服务。
反物质是一类自然产生的粒子，除了电荷和磁性相反外，它们与普通物质几乎完全相同。几十年来，这一直困扰着科学家，因为根据物理定律，大爆炸应该产生等量的物质和反物质。这些相等但相反的粒子会迅速相互湮灭，留下一个沸腾但空旷的宇宙。物理学家怀疑其中存在着隐藏的差异，这可以解释为什么物质幸存下来而反物质几乎消失。
BASE 实验旨在通过精确测量反质子的性质（例如其固有磁矩），然后将这些测量结果与质子的测量结果进行比较来回答这个问题。然而，实验所能达到的精度受到其位置的限制。
“反质子室的加速器设备会产生磁场波动，限制我们进行精确测量的范围，”BASE 发言人 Stefan Ulmer 说道。“如果我们想更深入地了解反质子的基本特性，就需要走出去。”
BASE-STEP 正是为此而生。其目标是捕获反质子，然后将其转移到一个设施中，让科学家能够更精确地研究它们。为了做到这一点，他们需要一种足够小的设备，可以装上卡车，并能抵抗地面运输过程中不可避免的颠簸和震动。
目前的装置包括一块超导磁体、低温冷却、电力储备以及一个利用磁场和电场捕获粒子的真空室，重达 1,000 公斤，需要两台起重机才能将其从实验大厅吊到卡车上。尽管重达一吨，BASE-STEP 比任何现有的研究反物质的系统都要紧凑得多。例如，它的占地面积比原来的 BASE 实验小五倍，因为它必须足够窄才能穿过普通的实验室门。
在排练过程中，科学家们用被捕获的质子代替反质子。质子是每个原子的关键成分，其中最简单的原子是氢（一个质子和一个电子）。但将质子储存为松散的粒子，然后将它们运到卡车上是一项挑战，因为任何微小的扰动都会将未结合的质子拉回到原子核中。
“当通过公路运输时，我们的陷阱系统会受到加速度和振动的影响，而实验室实验通常不是为此设计的，”斯莫拉说。“我们需要建立一个足够坚固的陷阱系统来承受这些力量，现在我们首次对其进行了真正的测试。”
不过，斯莫拉指出，目前最大的潜在障碍不是道路颠簸，而是交通堵塞。
“如果运输时间过长，氦气最终会用完，”他说。液态氦使陷阱的超导磁体温度保持在 8.2 开尔文以下：这是它的最高工作温度。如果运输时间过长，磁场就会消失，被捕获的粒子就会被释放，一旦接触到普通物质就会消失。
“最终，我们希望能够将反物质运送到杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的专用精密实验室，这将使我们能够以至少提高 100 倍的精度研究反物质，”斯莫拉说。“从长远来看，我们希望将其运送到欧洲的任何实验室。这意味着我们需要在卡车上安装发电机。我们目前正在调查这种可能性。”
此次测试成功后，包括了充分的监测和数据收集，团队计划改进其程序，目标是明年运输反物质。
乌尔默说：“这是一项全新的技术，它将为研究新的可能性打开大门，不仅可以研究反质子，还可以研究其他奇异粒子，比如超高电荷离子。”
另一项实验 PUMA 正在准备一个可移动的阱。明年，它计划将反质子从 ADH 大厅运送到 600 米外的 CERN 的 ISOLDE 设施，以便利用它们研究奇异原子核的性质和结构。

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