正電子首次表現出波動行為，證實了量子理論的預測
量子物理學推翻了經典觀念，表明物質在最小尺度上的行為非常不同。最令人驚訝的發現之一是波粒二象性，即粒子在某些條件下可以像波一樣起作用。這種行為在雙縫實驗中得到了著名的證明，其中電子穿過兩個縫產生干涉圖案，而不是簡單的粒子撞擊。隨著時間的推移，中子、氦原子甚至大分子也證實了類似的波狀行為，這使得物質波衍射成為量子力學的基石。儘管取得了這些進步，實驗記錄中仍然缺少一個系統：正電子素。正電子是一種短壽命的中性原子狀系統，由電子及其反物質對應物正電子組成。由於它由兩個質量相等的粒子組成，觀察其量子乾涉長期以來一直是一個挑戰。現在，東京理科大學的研究人員取得了前所未有的成就。由Yasuyuki Nagashima教授領導的研究小組直接觀察到正電子束中的物質波衍射，為獨特量子系統中的波粒二象性提供了新的確認。反物質表現出波動性“正電子是由等質量成分組成的最簡單的原子，在它自湮滅之前，它在真空中表現為中性原子。現在，我們第一次觀察到正電子束的量子乾涉，這可以為利用正電子進行基礎物理學的新研究開闢道路，”長島教授說。這一突破是通過創建具有足夠相干性和可調諧能量的高質量正電子束而實現的。研究小組首先產生帶負電的正電子離子，然後使用精確定時的激光脈衝剝離多餘的電子。這產生了適合干涉實驗的快速、中性正電子束。研究人員將光束引向由兩到三個原子層組成的薄石墨烯目標。石墨烯原子之間的間距與所用能量下正電子素的德布羅意波長緊密匹配，使其成為理想的衍射介質。當正電子原子穿過石墨烯片時，一部分光束被傳輸並使用位置敏感探測器進行檢測。由此產生的測量結果顯示出清晰的衍射圖案，證實了波狀行為。單量子物體得到證實 該團隊還證明，正電子素作為單個量子實體而不是獨立的電子和正電子成分進行衍射。這一結果證實了束縛系統的行為就像一個相干粒子，儘管其具有復合性質。 “這一突破性的實驗里程碑標誌著基礎物理學的重大進步。它不僅證明了正電子素作為束縛輕子-反輕子系統（行為類似於微小原子的系統）的波動性質，而且還為涉及正電子素的精確測量開闢了途徑，”永田裕吾博士說。與早期的方法相比，新光束可實現高達 3.3 keV 的更高能量、更窄的能量分佈以及改進的方向聚焦。該實驗還在超高真空下進行，有助於保持石墨烯表面的清潔度並確保結果可靠。除了驗證量子理論之外，正電子衍射還可能具有實際意義。由於正電子素是電中性的，因此可以對絕緣體或磁性表面等敏感材料進行無損分析。從長遠來看，它可以實現涉及反物質的精密實驗，包括仍然缺乏直接測量的重力測試。
已发布: 2026-01-20 01:05:00
