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PRISMA+Cluster of Excellence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Mathew Bohmann （左）和 Christian Smorra（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Max Planck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。＂PRISMA+ Cluster of Excellence团队的物理学家、该出版物的合著者Christian Smorra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Matthew Bohman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。＂Christian Smorra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。