非弹性散射过程中的杨氏双缝实验研究

Uncertainty and complementarity inherent in the Young double-slit experiment are two fundamental principles of quantum mechanics, closely associated with the Copenhagen interpretation. Since the Copenhagen interpretation is essentially a pragmatic view, effectively saying that it really does not matter exactly what quantum mechanics is all about, people are interested in the "truth" behind these two principles. However, nowadays optical Young double-slit experiments still retain the majority in the field due to difficulties in manufacturing a proper set of "double slits" for massive entities. We thus propose a new type of Young double-slit experiments in molecular ion-atom collisions to study the inelastic property of such fundamental processes. A series of kinematically-complete experiments will be performed at the 320 kV multi-discipline research platform at the Institute of Modern Physics, Lanzhou. There the hydrogen molecular ion delivered from the ECR source will be accelerated and collide with helium atom in the reaction microscope. Momenta of all charged fragments produced in the collisions will be monitored via the reaction microscope and a newly designed projectile orientation imaging system. The interferences of helium atom matter wave on the double slit formed by the hydrogen molecular ion are studied in the rest frame of the projectile. We are particular interested in the two-center dielectric transition process of the collision system to investigate the Young double-slit interferences in low collision energy regime.

杨氏双缝干涉实验蕴含了量子力学哥本哈根解释的两大哲学原理：不确定原理和互补原理。然而由于难以找到合适的狭缝开展具有静止质量粒子的物质波干涉实验，目前对这两大原理的研究仍然集中在光学实验的层面上。近年来反应显微成像谱仪技术的发展实现了对原子碰撞过程动力学的完全测量，使利用原子物质波进行杨氏双缝干涉实验成为可能。本项目拟基于兰州重离子加速器，利用反应谱仪技术研究氢分子离子与氦原子碰撞过程中氦原子物质波在氢分子离子形成的“双缝”上的杨氏双缝干涉现象。实验通过对氢分子离子碰撞后解离产生的质子和中性氢原子动量的精确测量获得碰撞瞬间狭缝空间取向的信息；通过对碰撞后氦原子碎片动量的测量获得碰撞过程中氦原子物质波在“双缝”上散射的信息，最终实现氦原子物质波杨氏双缝干涉实验研究。本申请将研究非弹性原子碰撞过程中杨氏双缝干涉现象与原子碰撞动力学机制之间的关联，将促进人们对量子力学基本原理的理解。

杨氏双缝干涉实验在自然科学史上具有非常重要的地位。特别是以电子进行的杨氏双缝实验，被认为是量子力学理论的支撑实验之一。为了解释电子在这个实验中表征出来的自我干涉性质，哥本哈根学派引入了互补原理与不确定原理，并且进一步推广应用到一切微观、甚至宏观物体，视其为量子力学理论的两大哲学原理。量子力学理论的空前成功促使我们去思考这两大原理背后的物理本质，而实验上也期待有新的突破出现——例如，以更复杂体系的物质波开展杨氏双缝实验。量子力学理论对一个过程的描述是通过几率幅来描述的，几率幅本质上是一个复数，因此具有相位。这种相位包含了物理过程丰富的动力学信息，然而直到最近人们才借助超快激光实现了对原子反应动力学过程相位的测量。但是由于离子库伦长程势的特点，在离子碰撞动力学研究领域中难以定义动力学过程的起点与终点，因此从卢瑟福散射实验之后的一个多世纪以来我们一直没有实现对碰撞动力学过程相位的测量。本项目利用中科院近代物理研究所重离子加速器能够制备单色性较高的离子束的特点，制备出动量分散较小的高品质离子物质波波束，以自然界中存在的双原子作为双缝开展了氦原子物质波的类杨氏双缝干涉实验。不同于光学以及以电子物质波开展的杨氏双缝干涉实验，本课题研究的杨氏双缝干涉实验中是以具有内部结构的原子的物质波为研究对象：在碰撞过程中，由于原子的内部结构炮弹离子携带的动能部分转化为系统的势能。因此将会有丰富的原子分子动力学现象与物质波的杨氏干涉现象相互伴生，进而可以实现通过干涉现象对原子物理过程的研究。通过本课题的实施，我们成功利用物质波杨氏双缝干涉效应，首次将离子与原子散射过程中的散射相位提取出来。该方法还可以应用在其他原子分子碰撞过程，用于提取特定反应过程的相位。