當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)碰撞時(shí)，它們會(huì)相互“湮滅”，將其質(zhì)量轉(zhuǎn)化為一股純能量，釋放出高能光子或粒子。由慕尼黑工業(yè)大學(xué) (TUM) Christoph Hugenschmidt 教授領(lǐng)導(dǎo)的 AEgIS 合作項(xiàng)目的科學(xué)家們研制出了一種新型探測(cè)器，能夠?qū)崟r(shí)成像反物質(zhì)湮滅點(diǎn)。
MOS 傳感器拍攝的反質(zhì)子湮滅事件，觀察到的形狀與 Timepix3 探測(cè)器記錄的形狀相似，盡管比例大約小了 50 倍。通過(guò)拍攝背景圖像，洋紅色標(biāo)記的像素被視為無(wú)效。綠色箭頭表示橢圓形尖刺的示例，青色箭頭表示粗軌跡的示例，橙色箭頭表示細(xì)軌跡的示例。
《科學(xué)進(jìn)展》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究中描述了這種裝置，它能夠精確定位反質(zhì)子湮滅物質(zhì)的位置，精度高達(dá)0.6微米（亞微米分辨率）。這比之前的實(shí)時(shí)成像方法精確35倍。
AEgIS 實(shí)驗(yàn)是歐洲核子研究中心反物質(zhì)工廠研究的一部分，該工廠的研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試測(cè)量反氫原子在地球引力和重力加速度下的行為。“反氫實(shí)驗(yàn)：重力、干涉測(cè)量、光譜學(xué)”（AEgIS）是一項(xiàng)合作項(xiàng)目，匯集了來(lái)自歐洲和印度各地的物理學(xué)家。在當(dāng)前階段，該實(shí)驗(yàn)利用反質(zhì)子減速器產(chǎn)生的反質(zhì)子來(lái)產(chǎn)生反氫原子脈沖束。
AEgIS 通過(guò)產(chǎn)生水平反氫粒子束，并使用“莫爾偏轉(zhuǎn)儀”等特殊工具檢查其垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。新開(kāi)發(fā)的探測(cè)器記錄這些湮滅點(diǎn)，以了解重力引起的粒子束路徑的細(xì)微變化。
該研究的首席科學(xué)家弗朗西斯科·瓜蒂耶里（Francesco Guatieri）解釋了高分辨率的重要性。“為了使AEgIS實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，我們需要一個(gè)具有極高成像能力的探測(cè)器。我們使用的相機(jī)傳感器像素小于一微米。通過(guò)組合60個(gè)這樣的傳感器，我們打造出了一個(gè)分辨率高達(dá)3840萬(wàn)像素的探測(cè)器——這是迄今為止所有成像探測(cè)器中像素?cái)?shù)最高的?！?/p>
在此之前，研究人員只能依靠照相底片，但無(wú)法提供實(shí)時(shí)信息。新型探測(cè)器解決了這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)提供了類似甚至更好的圖像質(zhì)量。
為了制造該探測(cè)器，該團(tuán)隊(duì)使用了商用智能手機(jī)攝像頭傳感器，這些傳感器已經(jīng)證明可以實(shí)時(shí)捕獲低能正電子。然而，他們必須對(duì)傳感器進(jìn)行重大調(diào)整，剝離某些專為手機(jī)電子設(shè)備設(shè)計(jì)的層。這一步驟需要先進(jìn)的工程技術(shù)和精心的設(shè)計(jì)。
有趣的是，人工輸入在這一突破中發(fā)揮了重要作用。該團(tuán)隊(duì)依靠同事的手動(dòng)分析，在超過(guò) 2500 幅圖像中精確繪制了反質(zhì)子湮滅點(diǎn)。雖然這一過(guò)程耗時(shí)（每組圖像最多耗時(shí) 10 小時(shí)），但在精度上卻優(yōu)于自動(dòng)化方法。
據(jù)稱，該探測(cè)器驚人的精度還能幫助科學(xué)家研究湮滅過(guò)程中產(chǎn)生的不同粒子。通過(guò)測(cè)量留下的軌跡，他們可以判斷這些軌跡是由質(zhì)子還是π介子引起的。這項(xiàng)新技術(shù)為研究低能反物質(zhì)相互作用開(kāi)辟了新的可能性。
AEgIS 發(fā)言人 Ruggero Caravita 強(qiáng)調(diào)了這一進(jìn)展的重要性?！胺欠驳姆直媛室彩刮覀兡軌騾^(qū)分不同的湮滅碎片。新的探測(cè)器為低能反粒子湮滅的新研究鋪平了道路，并且是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)，可用于觀察引力引起的反氫原子的微小變化?！?/p>
盡管還需要更多的研究來(lái)充分發(fā)揮其潛力，但該探測(cè)器已經(jīng)被譽(yù)為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域的變革者。
資料來(lái)源：CERN、Science Advances
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