歐洲核子研究中心的科學家首次成功使用激光冷卻反物質（來源：Chukman So）

人們相信反物質在宇宙中扮演著重要的角色。反物質是物質的對應物，各方面都相同——都有質子、中子和電子——但電荷是相反的。根據當前人類對物理定律的最佳理解，今天的宇宙應該是由同等數量的物質和反物質一起構成的。

但是據我們目前所看到的，并不是。反物質難以捉摸，現代物理學的一個大難題，就是經過幾十年探索后，宇宙中似乎幾乎完全沒有反物質的存在，那我們該如何解釋一個物質和反物質等量組成的“對稱”宇宙呢？

為了解開這個宇宙之謎，物理學家們正在努力研究反物質的各種特征。他們對物質和反物質之間的微小差異尤其感興趣，這些差異可以解釋所觀察到的不對稱性，進而驗證現有的物理定律。但研究反物質極其困難。產生反物質需要巨大的能量，而且它也很容易消失。它一旦與我們周圍的物質接觸，就會自我湮滅。

這個電磁阱演示器展現其所產生的力是如何留住空間中的帶電粒子的（來源：Niels Madsen）

斯旺西大學物理學教授Niels Madsen和歐洲核子研究中心（CERN）的同行研究出了一種制造、捕捉和激光冷卻反物質的方法，使反物質存在的時間長到足夠研究人員做出一套更精確的全新測量法。這些實驗很可能成為解決宇宙中反物質失蹤之謎的重要一步。

制造反物質

正如物質是由原子組成的一樣，反物質是由反原子組成的。最容易制造的反原子是反氫。1995年歐洲核子研究中心首次創(chuàng)造出了反氫原子，并于2012年首次測量成功。反氫原子是由一個反電子（被稱為正電子）圍繞一個反質子核旋轉組成的（在物質中的對應物是氫），擁有宇宙中最簡單的原子結構。

但是制造反氫原子并不容易。解決這個問題的經典高能物理方法是使用粒子對撞機。就像歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，將巨大的動能轉化為可供我們研究的大量亞原子碎片。粒子加速器可以用來制造反質子。但要制造一個可用的反質子就需要100萬個質子和至少2600萬倍最終“存儲”在反質子中的能量。所以研究人員制造的每個反質子都異常珍貴。

液態(tài)氦可以幫助我們冷卻電磁阱中的反氫原子，但激光可以進一步降低溫度（來源：Niels Madsen）

一旦我們創(chuàng)造了足夠多的反質子，就需要反電子（正電子）來構建反原子。令人高興的是，可以很容易地從放射源中收集到正電子。收集到核心原料后，研究人員只需要把它們組合起來即可。

研究人員通過迫使反質子和反電子在電磁阱中接觸來實現這一步。至關重要的是，這些過程必須在真空中進行，因為如果反粒子與儀器的任何部分接觸，它們一接觸就會湮滅，完全消失。只有在所有這些步驟之后才能形成可用的反氫原子，它們被磁場組合固定在真空中。

測量反氫原子

在這個狀態(tài)下研究人員可以測量反氫原子。要測量的是在反氫原子的兩個能態(tài)之間的一個關鍵原子躍遷。這種躍遷特別適于精確測量。目前，對這個氫原子的對應物的躍遷，已經可以驚人地測到小數點后15位了。
研究人員把反氫原子的測量精確到小數點后12位，比最精確的氫測量差了1000倍，但仍是目前最好的反氫測量。但因為反原子動能的緣故，測量中有個關鍵限制就是電磁阱中反原子的運動。通過進一步減少這種運動，測量就能更精確。研究人員正是通過激光爆破反原子實驗首次實現了這一點。

激光冷卻

激光中的光是由光子組成的，光子本身具有動量。當一個原子吸收光子時，原子的速度略有變化。通過遵循這一基本原理，可以利用激光束中包含的動量來減少被捕獲反原子的動能，并將它們冷卻到接近絕對零度。
這要求研究人員只在反原子向激光移動時，才用光子撞擊它們，因為它實際上會抵消反原子的一些速度，有點兒像你必須用力才能讓蕩秋千的孩子擺蕩速度慢下來。通過使用這種定向激光冷卻，研究人員成功地將儲存的反氫原子溫度降低了10倍，這就有可能將未來的測量精度提高到原來的4倍。

研究人員還沒有完成足夠的測量，無法發(fā)布關于反氫原子的更精確的新數據，但很快就會做到。此外，激光冷卻技術使研究人員在物質和反物質的許多測量上走上了一條更加精確的道路，也使得離更加精確地測量氫本身又近了一步。

激光冷卻技術為測量反氫原子開辟了令人興奮的可能性。結合現有技術，使能夠積累相對大量的反氫原子（每天都能制造出成千上萬的反原子）。研究人員很快就會知道更多關于反氫原子的本質以及額外的知識，從而幫助我們理解為什么反物質在宇宙中無處不在，卻又如此難以捉摸。