光纖鏈路助力,歐洲核子研究中心將更準時
歐洲核子研究中心(CERN)與巴黎之間新的光纖鏈路將爲該實驗室提供精確的頻率基準,提高精度並支持諸如ALPHA(阿爾法)之類的實驗探尋物質與反物質的差異。
粒子物理學的標準模型基於這樣一種理念:如果你同時將一個物質粒子替換爲其反物質版本(改變其電荷的符號),如同透過鏡子觀看一般翻轉其空間座標(宇稱)並逆轉時間方向,那麼這兩個粒子的行爲應該沒有差異。
由於基本對稱性在量子場論中的核心作用,即使發現對這一原理(即電荷 - 宇稱 - 時間(CPT)對稱性)的微小違背,也將表明我們的理解是不完整的,並且可能指向標準模型之外的新物理。
歐洲核子研究中心反物質工廠的實驗以測試像CPT對稱性這樣的基本原理,通過研究反物質的性質和行爲並將其與正常物質進行比較。ALPHA實驗通過反氫光譜學進行此類測試——也就是說,通過使用激光或微波測量反原子中的躍遷頻率。如果結果與正常氫的結果相匹配,那麼該測量就與CPT對稱性相符。
這些頻率以赫茲(Hz,就是每秒1次)爲單位來測量,與原子中的能級間隔以及原子在能級間進行量子躍遷時產生的光譜線相對應。爲了精確地比較物質和反物質,必須極其精確地測定這些頻率,這就需要超精密的時鐘。
這就是爲啥最近阿爾法(ALPHA)裝置裡裝了一個銫原子噴泉鍾,而且這個實驗和位於巴黎的法國國家計量研究院之間新建立的光纖鏈路現在已經上線了。時鐘和光纖鏈路都能幫着把阿爾法反氫測量的精度提高好幾個數量級呢。
阿爾法合作項目的物理學家揚科·瑙塔(Janko Nauta)說:“我們之前測量反氫基態和第一激發態之間的躍遷的時候,我們使用了一個更簡單的時鐘,這個時鐘是由一個石英振盪器做成的,這個石英振盪器是通過全球定位系統(GPS)衛星來做頻率參考的,我們在躍遷頻率上達到了萬億分之二(2×10-12)的精度。”
“然而,在我們進行反氫測量之前幾年對氫進行的等效測量,其精度甚至更高,達到每千萬億份裡有四份(4×10-15),這就需要一個更好的時鐘來尋找物質和反物質之間潛在的差異。”
“對ALPHA(阿爾法,一個特定的名稱)來說,光纖連接(鏈路)和銫原子噴泉鍾(銫噴泉鍾)在進行反氫測量時都發揮着重要作用,其測量精度與氫測量精度相當,”諾塔繼續說道。
“雖然我們依靠時鐘,但鏈路有助於我們減少測量中的噪聲,並從長遠來看更好地評估時鐘,以驗證其保持準確性。此外,該鏈路將使未來利用光量子鐘的信號成爲可能,從而超越目前實現國際單位制下的秒的時鐘的穩定性。”
該鏈路是REFIMEVE+網絡的一部分,這一項目通過法國互聯網網絡上現有的光纜,向法國及其他國家的研究實驗室分發超穩定光學頻率基準。這是一個新項目的試點項目,旨在將歐洲核子研究中心(CERN)的多個實驗與REFIMEVE+連接起來。
這有可能提高歐洲核子研究中心(CERN)時鐘的精度,並可能爲該實驗室獲取協調世界時(UTC)——全球計時標準提供一種新的途徑。該鏈路的光信號與協調世界時(UTC)同步的精度高於全球定位系統(GPS)衛星,而全球定位系統(GPS)衛星目前在歐洲核子研究中心(CERN)被廣泛使用。
歐洲核子研究中心(CERN)IT部門的愛德華多·馬爾泰利(Edoardo Martelli)表示:“歐洲核子研究中心(CERN)量子技術倡議設想從其他國家計量機構向歐洲核子研究中心(CERN)傳輸更精確的頻率信號,並將其分發給實驗室中所有感興趣的實驗。”“更多信號源能讓本地時鐘更精確地同步,並提高服務的穩定性。”
阿爾法最近對反氫原子基態和第一激發態之間躍遷的精確測量,比對之前的測量對CPT對稱破缺進行了更嚴格的限制。藉助新的光學鏈路,該合作項目希望對CPT對稱進行更嚴格的測試。
歐洲核子研究中心(CERN)提供