反物質(zhì)被認(rèn)為在我們宇宙的故事中扮演著重要的角色。它是物質(zhì)的對(duì)應(yīng)物，一樣有質(zhì)子、中子和電子，但電荷相反。根據(jù)我們對(duì)物理定律的最佳理解，今天的宇宙應(yīng)該由物質(zhì)和反物質(zhì)組成。那么事實(shí)真是這樣么？
CERN的科學(xué)家們已經(jīng)首次成功用激光冷卻暗物質(zhì) 來源: Chukman So
研究反物質(zhì)是非常困難的，創(chuàng)造反物質(zhì)需要巨大的能量，即使創(chuàng)造成功，它也很容易消失——當(dāng)它與我們周圍的物質(zhì)接觸時(shí)，它會(huì)自我毀滅。歐洲核子研究組織(法語:Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire;英語:European Organization for Nuclear Research，1954年9月29日設(shè)立，通常被簡(jiǎn)稱為CERN，是世界上最大型的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室）已經(jīng)研究產(chǎn)生了一種方法，可以魔法般創(chuàng)造、捕獲和用激光冷卻反物質(zhì)，持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使其能夠進(jìn)行更精確的測(cè)量。這一實(shí)驗(yàn)是解開宇宙中反物質(zhì)消失之謎的重要一步。
正如物質(zhì)是由原子組成的一樣，反物質(zhì)也是由反原子組成的。最容易制造的反質(zhì)子是反氫（——?dú)湓谖镔|(zhì)中的對(duì)應(yīng)物，由CERN于1995年首次創(chuàng)造，并于2012年首次測(cè)量。由一個(gè)圍繞一個(gè)反質(zhì)子核運(yùn)行的反電子(稱為正電子，是電子的反粒子，與電子質(zhì)量相等，但電荷相反）)組成，反氫和氫具有宇宙中最簡(jiǎn)單的原子結(jié)構(gòu)。但是制造反氫并不容易。
解決這個(gè)問題的經(jīng)典方法是使用粒子對(duì)撞機(jī)，就像CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（是粒子物理科學(xué)家為了探索新的粒子和微觀量化粒子的'新物理'機(jī)制設(shè)備，是一種將質(zhì)子加速對(duì)撞的高能物理設(shè)備，Large Hadron Collider，英文名簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)HC)一樣，可將巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成足夠多的亞原子碎片供我們研究。
電磁阱產(chǎn)生的力將帶電粒子“定住”。來源：Niels Madsen
粒子加速器可以用來制造反質(zhì)子，然而，要制造一個(gè)可用的反質(zhì)子，我們需要100萬個(gè)質(zhì)子和至少2600萬倍于最終“儲(chǔ)存”在反質(zhì)子中的能量。這使得我們制造的每一個(gè)反質(zhì)子都無比不易、無比珍貴。一旦我們創(chuàng)造了足夠多的反質(zhì)子，我們就需要反電子(正電子)來構(gòu)建我們的反原子（通過迫使反質(zhì)子和正電子在電磁阱中接觸而實(shí)現(xiàn)的）。令人高興的是，正電子可以很容易地從放射源中收集。另外，還必須要注意這一構(gòu)建必須在真空中發(fā)生，因?yàn)槿绻戳Ｗ优c儀器的任何部分接觸，它們就會(huì)在接觸中湮滅、完全消失。只有經(jīng)過所有這些步驟，我們才能形成可用的反氫原子，這些原子被磁場(chǎng)組合固定在真空中。
在上面所說的這種狀態(tài)下，才可以測(cè)量反氫。我們要測(cè)量的是反氫原子兩種能量狀態(tài)之間的關(guān)鍵原子躍遷——這種轉(zhuǎn)變特別適合于精確測(cè)量，氫中的當(dāng)量已經(jīng)精確到驚人的小數(shù)點(diǎn)后15位。
我們的反氫測(cè)量可精確到小數(shù)點(diǎn)后12位。這比普通氫的最精確測(cè)量差了1000倍，但這是目前任何人做過的最好的反氫測(cè)量。
但是我們測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵限制是反原子在阱中的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生著動(dòng)能。通過進(jìn)一步減少這種移動(dòng)，我們的測(cè)量將更加準(zhǔn)確。我們的實(shí)驗(yàn)第一次通過用激光爆破反原子實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。
激光器中的光是由光子組成的，光子自身帶有動(dòng)量。當(dāng)一個(gè)原子吸收一個(gè)光子時(shí)，原子的速度會(huì)發(fā)生微小的變化。通過遵循這一基本原理，我們知道我們可以利用激光束中包含的動(dòng)量來降低我們捕獲的反原子動(dòng)能，并將它們冷卻到接近絕對(duì)零度。這要求我們只在反原子向激光運(yùn)動(dòng)時(shí)用光子撞擊反原子，因?yàn)檫@會(huì)抵消反原子的一些速度，你可以想象你在秋千上使力從而讓孩子慢下來。
液氦有助于冷卻阱中的反氫，但激光有助于進(jìn)一步降低溫度。來源：Niels Madsen
通過使用這種定向激光冷卻，我們?cè)O(shè)法將儲(chǔ)存的反氫的溫度降低了十倍，這有可能將未來的測(cè)量精度提高四倍。除此之外，我們的激光冷卻技術(shù)已經(jīng)使我們?cè)谖镔|(zhì)和反物質(zhì)的許多測(cè)量中獲得了更高精度，并使我們更接近于對(duì)氫本身進(jìn)行更精確的測(cè)量。
令人興奮的是激光冷卻為測(cè)量反氫開辟了更多可能。現(xiàn)有的技術(shù)可允許我們積累大量反氫，比如每天可積累數(shù)千個(gè)反原子，我們將很快對(duì)反氫的性質(zhì)有更多的了解——幫助我們理解為什么物質(zhì)在我們的宇宙中無處不在，而反物質(zhì)卻如此難以捉摸。
來源：“Laser cooling of antihydrogen atoms” by C. J. Baker, W. Bertsche, et al., 31 March 2021, Nature. DOI: 10.1038/s41586-021-03289-6
原文參考SciTechDaily，Antimatter: Scientists Trap Elusive Material by Blasting It With Lasers，By NIELS MADSEN, SWANSEA UNIVERSITY
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