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《量子三部曲》之《狄拉克之旋》9,物理学家

已有 8784 次阅读 2014-6-7 07:46 |个人分类:狄拉克之旋|系统分类:科普集锦

《狄拉克之旋》

第三章,反物质

 

9 物理学家

 

“CERN?”

“是的,李老师,做反氢的MOT(磁光阱)。”

狄莫第一时间告诉了李武越自己的申请结果。无数次的email,多次的Skype面试,终于拿到了这样一个博士后offer,一个让他倍感惊讶的组。

“是属于ATRAP组吗?”李武越好奇地问。

“不是,那个组已经没了,是这个组。”狄莫说着在笔记本上点开了这个组的网址,“Boss是个日本人,叫Shio Kobayashi,我查了一下日文是小林志雄。”

“我以前记得在CERN有一个日本人主导的合作组专门在做反氢原子的光谱,好像是叫ASACUSA。”

“对,这个组的前身就是ASACUSA,他们现在已经能做出反氢原子的基态磁阱囚禁了,反氢的MOT指日可待。”

“Cool!那以前那个ATRAP组去哪儿了?”

“那个组直接用的Ioffe-Prichard阱囚禁反氢,最后做到能囚禁一小时。但当时没121nm的激光器,无法做激光冷却。我查了一下后来跟ALPHA组合并了,准备直接做反氢的BEC,所以新的组名字就叫ABEC。”

“Crazy!,原子数够蒸发吗?”李武越很是迟疑。回想自己年轻时做的BEC实验,即使初始的MOT有10的9次方的铷原子,最后得到BEC也废了九牛二虎之力。

“应该很难。其实我要去的这个组名义上也是ABEC的一部分,由我们先做反氢的MOT,然后他们做磁阱囚禁和蒸发冷却的部分。MOT还是个可行的目标,也是因为我这几年比较熟悉121nm的紫外激光,Shio Kobayashi就打算给我这个offer。”

“这是个不错的机会,你今后好好做会比我有出息。”

狄莫已经习惯了李老师这种半开玩笑式的鼓励。

“不过,有些地方你需要做好准备。”李武越也不忘提醒自己的学生。“首先,我个人感觉这是个介于高能粒子物理实验和我们AMO(原子分子和光物理)之间的领域。高能物理实验只有项目的leader容易出名,就是说动辄成百上千的人合作一个项目,一篇paper下来光坐着署名就占了好几页。而咱们AMO都是小项目,各做各的,paper署名也是按贡献,不是按字母序。至于你要做的这个方向,虽然高能和AMO的技术各占一半,但是规模不小,合作者也起码好几十,文章署名什么的可能要符合高能物理界的规则,按字母序。”

恩,我估计也是这样。”

“这个到不是最大的问题。最大的问题是,你以后回国,要面临换方向。这个实验全世界独一份,只有CERN这地方能大量生产反质子供你们的实验用。回国的话,你也知道没有任何单位有这种设备或能力。”

“这个我想过了,想做反物质的话确实要承担这种风险。不过我还是想去拼一把,就当献身物理学了。”

“行,比我年轻时候有志气,一路顺风!”

……

……

收拾好行李。狄莫在浦东机场登上了去瑞士日内瓦的航班。

……

小林志雄亲自开车到机场接了狄莫。两个亚洲人,英语都不是特别地道,各有各的口音,不过交流起来并没有什么问题。

这是一个四十岁出头的男人。也许对理论物理学家来说已经过了黄金年龄,但对于实验物理学家来说正值巅峰。实验物理学更需要团队协作,对团队的领导者的资历和管理经验要求也就越高。因此实验物理学家出名的时候往往是不再奋斗在一线实验室干活的时候,而是像公司的领导一样,申请经费,分配任务,push进度,协调团队。用职业体育来比喻,实验物理学家往往是挂靴后做教练的时候做出一生最重要的工作。

小林志雄向狄莫介绍了CERN的近况。自美国费米实验室的Tevatron关闭以来,CERN的LHC成了世界上唯一的超级加速器。2012年,LHC上成功的发现了希格斯玻色子,完成了粒子物理标准模型的最后一块拼图。在这之后的二十年,LHC升级了两次,试图寻找更高能量的,超越标准模型预言的基本粒子,但是一无所获。经过多年大量数据处理得到的几个信号,由于置信度远不够5-sigma,不能视为发现。粒子物理学家们一筹莫展。

与此同时,反物质实验却取得了显著的进展,越来越多的反氢原子甚至反氦原子被稳定地制造出来,并囚禁达千秒的量级。CERN因此将重心逐渐向这方面转移,更多的人手和资源从LHC那边分配了过来。磁场线圈甚至用上了奢侈的超导材料。

……

刚来的一个月,狄莫只能借宿在guesthouse里,不断地找房子。CERN坐落在瑞士和法国边界,横跨两国国土。由于瑞士物价和消费明显高出法国很多,CERN的工作人员,尤其是年轻人,更倾向于在法国的一侧租房子。终于狄莫和两个工作在其它项目的中国同事合租了一个公寓。

不出所料,小林志雄是个工作狂——符合大部分日本人的特征。他的组里有11个人,刚好一支足球队。其中大部分是来自东京大学的博士生,其中有一个韩国人,一个泰国人,其余都是日本人。三个博士后,除了狄莫之外,另外两位分别来自意大利和荷兰。只有狄莫的名义老板是小林志雄,其它的博士后的名义老板是德国人Hansen,即整个ABEC实验的总负责人,他们貌似是Hanse提前安插进来,会在整个ABEC项目上长期跟下去。

狄莫带领韩国学生朴正勇,日本学生真田英三人在一间小实验室里负责121纳米激光器的安装和调试工作。这是新一代的紫外激光技术,直接从248纳米的准分子激光倍频,得到在124纳米附近输出功率80毫瓦的激光,然后通过外腔锁频技术调到氢原子的第一吸收峰频率附近,即121纳米。这种紫外区间的倍频晶体刚被发明不久,价格十分昂贵,在这之前,世界上也仅仅有两个实验室用这种倍频的紫外光实现了氢原子的磁光阱。理论上说,反氢原子的光谱应该和氢原子的完全一致。

但狄莫他们面临的挑战更加困难。由于反氢原子是在高能条件下通过反质子束和正电子束结合产生的,一开始就处于很高的激发态,即里德堡原子态。即使在Ioffe-Prichard阱里囚禁,也只有少量的反氢原子会通过自发辐射跃迁到基态。当然,这一最难的部分由组里另外的8人负责。狄莫他们三人的任务只要是搞定激光。

这边的工作强度另狄莫始料未及,李武越提醒过他,做这个实验,可能会牺牲掉所有personal life。看来果然没错,尤其是在一个工作狂的日本老板手下干。狄莫曾跟同事们开玩笑说为什么日本最出名的便利店叫7-ELEVEN,因为日本人习惯了从早上7点工作到夜里11点。

所有反物质方向的工作人员每个月都会又一次大型组会,由大老板Hansen主持,各个组向他汇报并一起讨论。狄莫切实感觉到了这种大规模的实验效率无法跟小规模实验相比。一次改动要讨论好久才能确定,因此和高能相关的领域都会选择相对稳妥的技术而不会冒险。

……

这里没有网络封锁,狄莫可以自由地上Facebook和Twitter。但他只经常去那个小姑娘的微博和QQ空间扫一眼,尽管已经很久未更新。是的,他忘不了小弦。

生命中充满着意外和插曲。年龄越大,狄莫越接受量子力学的随机本质——未来不是确定的,概率决定一切。而且从感情上讲,多世界诠释真的会聊以慰藉:在有的世界里,波函数塌缩的结果是他们在一起生活;在有的世界里,他们也许未曾相遇;在有的世界里,根本就没有我这个人……

……

生命不息,实验不止。周末是他们休息的好时光。天气好的时候,偶尔骑车到日内瓦湖畔,享受一下宁静,更多时间是和同样来自中国的几个朋友相约在CERN附近的草坪上踢踢足球。后来几位阿拉伯人加入了他们,狄莫很快跟其中的一位熟识了起来。

这个人叫哈桑,来自沙特。其他穆斯林都来自北非,阿尔及利亚,突尼斯,埃及等,就他一个来自亚洲。

“你肯定很有钱吧?”狄莫开着玩笑。

“哈,我可不是什么王储。事实上石油都是王室的,我父亲只是石油工人而已。我在宇宙射线那个组,你们在哪个组?”

“我在反物质那边。其它几位中国人主要在AMS那边。就是丁肇中教授领导建造的那个卫星。”

“你做反物质!听说你们可以囚禁上千个反氢原子了?”

“恩,未来俩个月如果顺利的话会再突破一个量级。当然,我主要做紫外激光,为了反物质的激光冷却。”

“那就是说你很快就要天天操作反物质了,危险么?”

“还好,因为我们的真空系统够好,比LHC里面还要高1-2个量级,所以和普通物质湮灭的速率不大。”

“Awesome!我平时能去参观吗?”

“随时欢迎,提前打我电话就行。”

……

哈桑似乎对狄莫的研究有着格外的兴趣,经常跑来聊天。狄莫得知哈桑在英国读的博士,一直研究宇宙射线中的高能粒子,而且当时就经常来CERN采集数据。博士后就完全来到了CERN常驻。

而且另狄莫不解的是,哈桑也是位穆斯林,当然这些阿拉伯国家几乎人人都是穆斯林。哈桑每天下午都会祷告。到了斋月更苦,太阳不落山就不能进食。出于对朋友的尊重,狄莫也从来没有问过哈桑关于物理事实和《古兰经》不一样会不会影响他的信仰之类的话。

与哈桑的一次次交谈也让狄莫开阔了眼界。地球还是太小了。外太空各种各样的天体无时无刻不在上演着各种各样的物理过程。由于光速的限制,我们只能看见宇宙很小的一部分,即所谓的视界。而且即使在视界里,我们也只能看到那六分之一左右参与电磁相互作用的物质。剩下的暗物质究竟是什么?有多少神秘的世界隐藏在里面?现在还无法得知。

……

实验在有条不紊地进行着。Ioffe-Prichard阱那边不断传来好消息,能囚禁的基态反氢原子越来越多,寿命优化的也越来越长。狄莫这边激光也已经就位,准备尝试氢原子的磁光阱。

朴正勇和真田英是两个非常努力的学生,三人的中日韩组合合作起来越发熟练。私下里,三个人都是游戏玩家,经常连线比赛,偶尔还会到真田英的宿舍玩PlayStation6。狄莫比这二人大几岁,但外观上不是很明显,一点体会不到当大哥的感觉。

氢原子磁光阱做的并不是很顺利,迟迟未能出现。6束光的平衡,园偏振,以及地磁场补偿都可能存在问题。三人决定兵分三路,一人确保一块。时间又过了两个月,终于实现了氢原子的磁光阱。

三人松了一口气,这意味着光学系统可以直接用在反氢上了。后面就是长时间的优化参数,不断优化,然后把整个光学系统平移到隔壁Ioffe-Prichard阱那里,向着人类历史上第一次反物质的激光冷却和囚禁迈进!

……

“我是狄拉克的脑残粉,我的familyname和他的中文名第一个字一样,我的出生年刚好跟他差100年。我最喜欢的方程就是狄拉克方程,这个方程不但包含反物质,还包含1/2自旋。我一辈子都想搞清楚自旋究竟是什么,但命运的安排却让我彻底投身到了反物质领域。”——狄莫。

……

没错,虽然表面上看起来粒子的自旋和所携带的荷是相互独立的两个物理量,但是狄莫总觉得冥冥之中二者有着更深层次的联系。

在通常人们对反物质的理解中,仅仅认为反物质粒子和物质粒子的电荷相反。其实不然,反物质粒子所携带的任何“荷”,都和其所对应的物质粒子相反,这是基本的量子场方程的荷守恒决定的。就是说,正电子不仅电荷和电子相反,弱荷(即弱同位旋)也和电子完全相反。

夸克是唯一全部参与电、弱、强三种相互作用的基本粒子,一个夸克的反粒子不仅电荷和弱荷与它相反,色荷也必须与它相反。也就是说一个红色上夸克的反物质粒子是反上夸克,色荷为反红色。

电子和夸克上看不出自旋和荷之间的联系,但是中微子上却能够看到点端倪。中微子的自旋是1/2,即能分成“左旋”和“右旋”两个分量。中微子只携带弱荷。令人惊奇的是,弱荷为正的中微子都是左旋的,反之弱荷为负的反中微子都是右旋的。而同时右旋的中微子和左旋的反中微子都不携带弱荷。

于是狄莫就坚信这里面有很多值得深挖的地方,似乎弱荷本身是个和自旋紧密相连的物理量。对于同样自旋1/2电子和夸克来说,也只有左旋的携带弱荷,右旋的不携带弱荷,即不参与弱相互作用。它们的反粒子更完全相反,只有右旋的携带弱荷,左旋的不携带。

弱相互作用对自旋分量的偏好,就是著名的“弱相互作用宇称不守恒”,杨振宁和李政道两位先生用这个发现给华人带来了第一个诺贝尔奖。

……

“弱荷(弱同位旋)和1/2自旋一定有更深一层的联系。我不知道此生能不能有机会找到这个问题的答案,洞察更深一层的物理。但是目前我需要全身心投入到反氢实验上,这是我当下的饭碗。”——狄莫。

 

 

 

 




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