在阱里冷却带电粒子的新方法

　　物理学家首次成功地实现了一种新的方法，用激光冷却的离子这种情况下通常是铍离子来冷却质子。新系统的创新之处在于两种粒子类型位于空间分离的阱中，这意味着现在可以通过电谐振电路在阱与阱之间9cm的距离内提供冷却效果。
　　美因茨大学（JGU）的PRISMAClusterofExcellence团队是BASE合作项目的一部分，他们能够演示，相比于没有铍的情况，质子可以在一个阱中被冷却到明显较低的温度。
　　美因茨大学MathewBohmann（左）和ChristianSmorra（右）在装置内安装新的阱
　　新的阱装置
　　这项新技术可以用于所有带电粒子，甚至是反质子，在这个温度范围内没有其他冷却方法。尤其令人兴奋的是，现在应该可以开展实验，使物质和反物质能更精确地进行比较。
　　这项研究的结果已发表在著名的科学杂志《自然》上。除了美因茨大学外，海德堡的MaxPlanck核物理研究所（MPIK）和日本理化学研究所也有效地参与这项新研究中心的发展，以及欧洲核子研究委员会，达姆施塔特的重力研究中心和汉诺威莱布尼茨大学。
　　为了能够对单个离子进行精确的测量，必须将它们捕获并储存在一个阱中，使它们尽可能保持惰性。为了达到这种状态，能量会从带电粒子中移除，从而降低它们的温度。与之前冷却质子的最佳方法相比，利用新的双阱结构，研究小组能够将温度降低约10倍，从而达到接近绝对零度的温度。
　　粒子的温度越低，我们就能越精确地限制粒子在阱中存在的空间。我们对粒子的定位越精确，我们的初始条件就越好，因此精密测量结果也就越好。PRISMAClusterofExcellence团队的物理学家、该出版物的合著者ChristianSmorra博士解释说。
　　一石二鸟的方法
　　这种新的双阱冷却方法还有更多的优点：它也可以用于反物质粒子，因为在单阱冷却系统中，物质和反物质会立即相互摧毁。这个新概念将使质子和反质子的比较更加精确。该研究的第一作者MPIK的MatthewBohman指出：我们想要明确地看到质子和反质子在性质上的区别。理论认为这两个粒子的行为是相同的，唯一的区别是电荷相反。目前还不清楚为什么我们的宇宙包含这么多质子因此也就有了物质但几乎没有反质子，也就是反物质。Bohman从2018年开始就在美因茨研究新的冷却方法，当时他正在攻读博士学位。
　　以前的方法要求被冷却的粒子与铍离子之间的距离为0。1mm或更小，而目前的研究表明，尽管在9cm的距离上进行空间分离，但实际上是有可能传输冷却效果的，这为进一步的研究项目奠定了基础。例如，可以实现不间断且更精确的频率测量，这是BASE合作计划基于搜索暗物质空间里的反物质的情况下进行的。在欧洲核子研究中心之前的实验中，该研究小组已经研究过在单个阱中捕获反质子的方法，然而，这是通过使用液氦而不是铍离子来实现的。
　　实际可行的发展
　　双阱法于1990年首次提出。这个概念在当时并不包括一个电谐振电路。相反，离子是通过一个普通的阱电极连接的。这种方法的优点是不存在电阻，比如谐振电路产生的电阻，它会产生热量并破坏冷却过程。然而，最大的缺点是离子能量交换的速度很慢，导致带电粒子的温度下降得不够快。目前的制度是1990年概念的实际可行发展。在这种情况下，阱之间的能量交换发生在一秒钟内，而不再需要两分钟。ChristianSmorra博士强调说。
　　未来将有可能进一步冷却粒子的运动，直至绝对零度，在那种状况下所有的运动都被冻结了。这样就有可能完全控制粒子的所有自由度。为此目的，将使用量子逻辑技术，因为它们正在开发，例如，在下萨克森州量子谷倡议的框架内。汉诺威莱布尼茨大学和德国联邦物理技术研究院（PTB）正在为BASE合作项目开发这些量子操作方法。