干涉法与反物质

近一个世纪以来，物理学家一直在努力理解为什么宇宙中包含的物质比反物质多得多。在一项新的实验中，Marco Giammarchi博士和QUPLAS合作项目的同事们展示了一种有助于他们寻找答案的技术。该研究小组首次用一个反粒子证明了干涉测量法——这种效应可能很快使物理学家能够比以往更详细地探测反物质的特性。

1928年，英国物理学家保罗迪拉克发现了一个奇怪的发现。由于他旨在推出可以统一量子力学和特殊相对性的法律的等式，他的计算揭示了一个完全新的粒子家庭的需要。对于在许多量子级相互作用中保持的物理定律，该家庭中每个粒子的性质必须精确地镜像其已知的对应物的那些：例如，电子的对应物必须具有完全相同的质量，但恰好相反的正电荷。此外，如果这些粒子中的一个符合其对应物，则该对必须立即互相消灭。

这些粒子被命名为“反物质”，通过对真实效应的观察，包括被称为宇宙射线的高能带电粒子流，很快就被发现了。今天，从医疗设备到粒子加速器的高能碰撞产物，都可以发现反粒子。然而，反物质的性质也给物理学家提出了一个问题:根据狄拉克方程，粒子和反粒子应该在大爆炸期间以相同的数量产生。奇怪的是，事实似乎并非如此。

Giammarchi博士在米兰的意大利国家核物理研究所(INFN)工作，他解释说:“在我们目前对宇宙的理解中，物质在很大程度上压倒了它的对手:反物质。”“根据我们最先进的基础理论，物质和反物质是通过基本对称联系在一起的。在我们的宇宙中，物质和反物质之间的不对称是物理学中一个主要的未解之谜。”

反物质的缺乏是解决这一谜题的主要障碍。到目前为止，物理学家们只成功地限制了实验室中极小数量的反粒子，这使得研究这种物质变得非常困难。在他们的研究中，Giammarchi博士和他的团队旨在通过探索量子力学中的另一种奇怪效应，为解决这个长期存在的谜题提供新的方法。

根据狄拉克方程，粒子和反粒子应该在大爆炸期间以相同的数量产生。奇怪的是，事实似乎并非如此。

波粒二象性
在宏观尺度上可以容易地观察波的物理性质，无论是海浪在音乐会中进入港口或不同响度的点。例如，当通过狭窄的间隙时，波前将衍射，并从其出现的点向外扩散。此外，当它们相遇时，波浪将相互干扰：如果它们的最高和最低幅度相互对齐;如果它们未对准，则破坏性地破坏性。

早在狄拉克5年前，法国物理学家路易斯·德布罗意就提出假设:粒子也可能是如此。与牛顿几个世纪以来的经典描述相反，他从理论上提出，通过量子力学定律，粒子可以像波一样衍射和干涉:这种效应在几年后被实验证明。这种效应被命名为“波粒二象性”，现在已经在各种各样的粒子中通过实验观察到:从中子和电子到大型复杂分子。

“根据该原理，由物质制成的量子颗粒显示衍射，干扰和典型的波浪的性质，”Giammarcir博士。“另外，即使当单个颗粒繁殖时，颗粒的这些波状特性也表现出。在他的讲座中，Richard Feynman认为这一事实是成为“量子神秘的地球”。

在这些研究的更广泛的范围内，一个具体的实验已经观察到特别奇怪的效果：在正确的条件下，物质的波浪基本上可以干扰自己。为了捕获该过程，研究人员可以应用一个名为“干涉仪”的广泛使用的装置。通常用于研究古典情景中的波浪，最近有更新的仪器适于研究干扰波浪。

自干式粒子
用于捕获这种效果的干涉仪类型的第一键元件是定期排列的紧密间隔窄间隙，命名为衍射光栅。当从单个源通过这些间隙的波浪时，将出现多个衍射波，并以特征方式互相干扰。如果屏幕位于距离光栅的一定距离处，则可以直接观察到这种干扰产生的图案 - 作为高强度和低强度的周期性模式，名为“FRINE”。此外，边缘之间的间距显示与衍射波的波长的直接关系。

对于粒子，干扰图案以稍微不同的方式产生。代替强度，颗粒波的幅度涉及在通过观察者测量时将在某个地方找到粒子的概率。这意味着当在屏幕上观察时，单个粒子首先仅显示为单点，传达极少的信息。但是，如果实验重复多次，则干扰模式将开始积聚;具有较高的观察频率，横向于传统干涉图案中的更高波形强度。在这些图案中，条纹显示为更高和更低的观察频率的周期性布置，其间距与颗粒的波长有关。

Giammarchi博士的团队制造出了他们希望找到的干扰模式。

目前，可用的最佳电子来源可以在每秒速率大约一个千分之一的电子的速率下产生梁，使研究人员能够非常快速地建立干扰模式。然而，相比之下，即使是最先进的正弦源 - 电子对应的反物质对手 - 只能产生大约10,000个每秒的抗颗粒，使其梁大约11个级别不那么激烈。到目前为止，这种稀缺性意味着干涉测量中从未通过抗颗粒实现。如果解决了这一挑战，那么可靠的正电子干扰模式将是试图理解反物质的难以捉摸的性质的研究人员的重要工具。

反粒子干扰
在他们的研究中，Giammarchi博士和他在QUPLAS的同事们致力于从低能的正电子束中产生干涉图样。他们的实验于2018年在米兰理工大学的L-NESS实验室进行。他们使用一种名为Talbot-Lau干涉仪的专门设备，首先让放射性钠同位素产生的正电子以每秒5000个粒子的速度通过一系列准直器。这就保证了每个粒子都以相同的速度，沿着完全相同的路径运动。

随后，粒子波通过两个连续的衍射光栅，然后湮没在一个照相观察板内。这些反应都产生了微小的损伤，这使得研究人员能够精确地确定它们发生在盘子的哪个位置。Giammarchi博士的团队通过确保干涉仪的所有部件都是由合适的材料制成，并摆放在正确的位置，从而产生了他们希望找到的干涉图样。

Giammarchi博士说:“这项工作是对反粒子的量子干涉测量法的首次演示。”“它是通过在干涉测量仪器中研究‘反粒子’的传播而制成的。因此，它构成了反粒子干涉特性的第一次证明，以及对‘单反粒子量子力学之谜’的第一次观察。”这一成就是一个重大突破，但对于QUPLAS合作来说，这只是一个可能具有突破性的新研究方向的开始。

理解宇宙的不对称性
据据证明单一的抗粒子干涉测量学的可能性，Giammarchi博士希望他的团队开发的技术可用于探索物质和反物质之间巨大不对称的难以捉摸的起源。到目前为止已经提出了几个理论。其中包括来自粒子物理学的充电，奇偶校验和时间逆转对称（CPT）定理，这表明Antiplicle显得罕见，因为它们实际上并及时向后行驶。

或者，一些理论预测，可以通过对一般相对性的弱等效原理（WEP）进行调整来解决谜团。在目前的形式中，定理表明，重要的是和反物质应该经历完全相同的引力力。然而，任何经过实验证明的违规行为都可以揭示这个想法的至关重要的监督;允许理论家建立更准确的图片。

利用QUPLAS合作的反物质干涉测量方法，物理学家可以获得前所未有的机会来探索这些想法，并将他们的假设付诸实践。通过他们的实验发现，研究人员可能离解答物理学中一个长期存在的谜团又近了一步。