歐洲核子研究組織（CERN）的 ALPHA 項(xiàng)目研究人員首次測(cè)量了反原子的躍遷。雖然測(cè)量結(jié)果與普通氫原子的行為沒(méi)有不同，但也許有朝一日，更精確的實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的細(xì)微差別，揭示一種新的“物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性”（matter-antimatter asymmetry）。更多信息請(qǐng)點(diǎn)擊：，或者撥打我們的熱線電話：400-6277-838

  該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是反氫原子（由一個(gè)正電子和一個(gè)反質(zhì)子組成）的1s-2s躍遷（從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)）。這一過(guò)程對(duì)是否破壞 CPT 對(duì)稱性（電荷-宇稱-時(shí)間反演對(duì)稱性）敏感。如果物理系統(tǒng)的行為在電荷、宇稱和時(shí)間反演的共同作用下保持不變，我們就說(shuō)該系統(tǒng)具有 CPT 對(duì)稱性。雖然 CPT 對(duì)稱性具有堅(jiān)實(shí)的理論支持，但實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家仍熱衷于對(duì)它進(jìn)行檢驗(yàn)。原因之一在于破壞 CPT 對(duì)稱性也許能夠解釋為什么今天的宇宙幾乎完全由物質(zhì)組成——即使在大爆炸期間理應(yīng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。

  和 CERN 的其他幾個(gè)反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一樣，ALPHA 從反質(zhì)子減速器（Antiproton Decelerator）中取得反質(zhì)子，然后使它們減速、冷卻，再與來(lái)自 Na-22放射源的正電子（已經(jīng)過(guò)冷卻）結(jié)合，產(chǎn)生反氫原子。由于反氫原子具有微小的磁偶極矩，它們被陷俘在由幾個(gè)磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生的特殊的勢(shì)阱中。

　　逃脫磁阱

  為了進(jìn)行光譜測(cè)量，Hangst 與其同事將一束激光射入磁阱，并使其在兩面鏡子之間來(lái)回反射。經(jīng)過(guò)調(diào)諧，激光的頻率最終大約是普通氫原子1s-2s躍遷頻率的一半。這是因?yàn)樵撥S遷涉及兩個(gè)光子的吸收，并且其頻率由于磁阱的存在而受到影響。發(fā)生躍遷后，部分反氫原子逃脫磁阱——由于吸收了第三個(gè)光子導(dǎo)致電離或是發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)激光頻率甚至關(guān)掉激光，研究人員在不同情況下將上述過(guò)程重復(fù)了11次并進(jìn)行測(cè)量。

  他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光被調(diào)諧到1s-2s躍遷頻率的一半時(shí)，平均不到60％的反原子逃脫磁阱，與預(yù)期一致。而在其他頻率或關(guān)閉激光時(shí)，沒(méi)有反原子（在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)）逃脫磁阱。這表示反氫原子在預(yù)期的頻率處發(fā)生躍遷，因此和普通氫原子行為一致。

  雖然這一結(jié)果對(duì) CPT 對(duì)稱性沒(méi)有任何威脅，但該實(shí)驗(yàn)顯示了反原子研究領(lǐng)域取得的巨大技術(shù)進(jìn)步：產(chǎn)生、冷卻并捕獲反氫原子。特別地，Hangst 的團(tuán)隊(duì)最近在兩個(gè)領(lǐng)域取得了進(jìn)展：同時(shí)捕獲大量反原子，在過(guò)去一年中，數(shù)量從一個(gè)提高到14個(gè)；在磁阱周圍建造諧振腔，用于提高激光強(qiáng)度，使其能與少量反原子發(fā)生相互作用。

  ALPHA 的成果獲得了 CERN 的其他反物質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)的贊譽(yù)。ASACUSA 實(shí)驗(yàn)發(fā)言人，東京大學(xué)的 Ryugo Hayano 認(rèn)為該研究是個(gè)“非常重要的里程碑”。而 AEgIS 發(fā)言人 Michael Doser 則表示它是“精確測(cè)量反氫原子光譜的開(kāi)幕禮炮”。

  然而，所有人都一致認(rèn)為，要將實(shí)驗(yàn)精度提高大約五個(gè)數(shù)量級(jí)，與普通氫原子的光譜測(cè)量進(jìn)行比較并不容易。 Doser 表示這將帶來(lái)許多挑戰(zhàn)，包括如何在毫開(kāi)爾文的溫度下制備反氫原子，以便更多反氫原子可以被磁阱捕獲；如何減少甚至消除磁場(chǎng)對(duì)反原子能級(jí)的影響。但他補(bǔ)充說(shuō)，ALPHA 在解決技術(shù)問(wèn)題方面非常高效。

  Hangst 表示，在反質(zhì)子減速器于明年春天再次開(kāi)啟后，他們下一步將利用更多不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行反氫原子光譜測(cè)量。

　　喜悅與遺憾

  ATRAP 實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人，哈佛大學(xué)的 Gerald Gabrielse 說(shuō)：“我期待著有一天，ALPHA 或 ATRAP 最終得到完整且高精度的1s-2s共振光譜。” 他補(bǔ)充說(shuō)，實(shí)際上他的團(tuán)隊(duì)比 ATHENA（ALPHA 的前身）早十年就開(kāi)始研究反氫原子光譜。在喜悅的同時(shí)，他也遺憾 ATRAP 沒(méi)有第一個(gè)得到結(jié)果。

  不過(guò)，根據(jù)美因茨大學(xué)的 Walter Oelert 所說(shuō)，提高光譜測(cè)量精度的競(jìng)爭(zhēng)仍很激烈。雖然 ALPHA 贏在起跑線上，但無(wú)法預(yù)測(cè)哪個(gè)團(tuán)隊(duì)將最先達(dá)到10-15的目標(biāo)。