6个国际团队争相回答宇宙最深处的问题

欧洲核子研究中心实验室拥有唯一的反质子-质子反物质。来源。照片来源:maximilienbridge/cern

在欧洲粒子物理研究所(CERN)的一个天花板很高的仓库里，六个竞争性实验正在竞相了解宇宙中最难以捉摸的物质之一的特性。这些实验仅相隔几米。从他们的位置来看，他们几乎是叠在一起的。每台设备和其他设备的金属光泽就像购物中心的电梯一样交错。它几吨重的混凝土支撑以某种可怕的方式挂在头上。

“我们经常互相提醒。”领导旨在第一个发现反物质如何响应重力的实验“神盾”的物理学家迈克尔·多塞说。

多塞别无选择，只能让自己舒服些。欧洲粒子物理研究所是瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室，它自豪地拥有世界上唯一的反质子源(除了电荷和自旋之外，粒子在所有方面都与质子相似)。实验室的反质子探测器是一个182米长的环形装置。它的粒子与实验室中更大、更著名的“兄弟”大型强子对撞机(LHC)来自同一个加速器。反质子以接近光速的速度进入装置。探测器减慢粒子速度，并提供一系列反质子流。然后每个实验轮流“啜”一小口。所有这些都必须非常小心，因为这些反粒子遇到物质后只需要一点点能量就能消失。

几十年来，科学家们一直在努力识别反质子和反氢原子，以便它们能够形成足够长的时间进行研究。在过去的几年里，相关研究发展迅速。实验专家现在可以控制足够多的反粒子来认真探索反物质，反物质是物质镜子中罕见的人，并对其基本特征和内部结构进行越来越精确的测量。领导ALPHA实验的Jeffrey Hangst说，至少在原则上，他的团队现在可以用反氢原子做任何事情。"对我来说，这个阶段是我25年来的目标."他说。

欧洲粒子物理研究所实验项目中的几十名物理学家知道，他们仍然面临着严峻的挑战:反物质研究极其困难，团队之间的竞争非常激烈，发现新东西的可能性似乎很低。然而，欧洲粒子物理研究所的反物质研究人员仍然被打开宇宙新窗口的兴奋所鼓舞。

重要事实

反物质物理学的起源可以追溯到1928年，当时英国物理学家保罗·狄拉克写了一个描述电子以接近光速运动的方程。狄拉克意识到他的方程应该有一个正解和一个负解。后来，他将数学模型解释为表明了反电子的存在，现在被称为反质子，并从理论上推断出每个粒子都存在反物质等价物。

实验物理学家卡尔·安德森在1932年证实了反质子的存在，当时他发现了一个类似电子的粒子，但是当它通过磁场时，它的轨迹向相反的方向弯曲。物理学家很快意识到反质子通常是由碰撞产生的:碰撞的粒子有足够的能量，其中一些可以转化为物质-反物质对。

到了20世纪50年代，研究人员开始探索这种能量-粒子转变来形成反质子。反物质猎人需要一种大规模减缓或冷却粒子的方法。1982年，欧洲核子研究中心首次尝试用低能反质子环(LEAR)来减缓和储存反物质。1995年，在李尔计划关闭的前一年，一个团队利用该装置的反质子产生了第一个反氢原子。

研究竞赛

欧洲核子研究中心的反物质研究最终将面临来自反质子和离子研究设施的竞争。例如，德国达姆施塔特国际加速器中心耗资11.6亿美元的国际加速器组装将于2025年左右完成。然而，目前，欧洲核子研究中心垄断了可用于研究的反质子，其生产速度足够慢。

今天，已经在反物质设施上进行了五次实验(此外，GBAR正在建设中)。每个实验都有自己独特的反质子研究方法。尽管他们中的一些人进行了独特的实验，但他们经常相互竞争，以测量相同的特征，并独立验证彼此研究的价值。

这些实验需要共享粒子流，这意味着5个实验项目中只有3个可以每两周获得一次离子流时间，并且这些实验每隔8小时进行一次。为期一周的协调会议确保每个实验都知道其邻居的磁场何时在运行，因此不会破坏极其敏感的测量。尽管地理位置相近，这些团队通常会阅读杂志上的论文，了解邻居的突破性进展。“这很好。它以竞争为基础，能够激励和鼓舞人们。”汉斯特说。

第一个反质子原子是用运动的反质子产生的，持续了大约400亿分之一秒。2002年，ATRAP和ALPHA先锋ATHENA的两个实验成为第一个将反质子的速度降低到足够低的水平以产生大量反氢原子的设备，每个实验积累了数千个这样的原子。一个重要的进展发生在将近10年前，相关团队掌握了连续几分钟捕捉反原子的方法。然后，他们测量了电荷和质量等特征，并用激光探测了能量水平。最近，ALPHA报道了它的最新进展:反氢原子精细结构的最精确测量，即由反质子和正电子之间的相互作用引起的微弱内部能量转移。

欧洲粒子物理研究所的所有实验都在探索一系列反物质特征，其中任何一个都将显示出与物质的不同。ASACUSA反物质研究专家和实验主任Masaki Hori(该公司利用激光研究飞行中的反原子，以避免俘获破坏力的影响)说，他们的所有研究目标都是继续减少不确定性。

重要影响

如果这些实验的目的是发现物质和反物质之间的任何区别，这将是一个革命性的发现。这意味着违反了一个叫做电荷、宇称和时间反转的对称原理。根据这一原理，一个镜像宇宙充满了反物质，并且在时间上是向后的，将会有和地球一样的物理定律。CPT的对称性是相对论和量子场论的基础。以某种方式打破它将意味着打破物理原理。事实上，只有外生理论预测反物质实验会发现一些东西。

出于这个原因，LHC物理学家倾向于以“冷静的态度”看待隔壁的反物质研究者在反物质领域工作了30年的多塞说:“他们认为这种研究很有趣，但不太可能产生新的发现。”

然而，LHC在揭开反物质之谜方面做得更好。追溯到20世纪60年代的实验表明，一些物理过程，如反K介子衰变为更熟悉的粒子，在物质的形成中有轻微的偏差。LHC实验一直在寻找更多类似的偏差。早期宇宙中尚未发现的大量粒子的行为可能解释了仍然存在的巨大的物质-反物质不平衡。这些就是推测相似粒子存在的原因:它们是由超对称性预测的，超对称性是一种将粒子物理学中一些混乱和松散的结果联系在一起的理论。

然而，在过去八年的探索中，没有类似的粒子出现。现在，最简单和最微妙的超对称——一个从一开始就吸引人们的想法——几乎被排除了。“今天，LHC正在寻找假设的粒子，这种粒子可能存在，也可能不存在，理论指导很少。在某种程度上，这与我们的情况完全一样。”多塞说。

颠倒

和以前一样，测量*落体中反氢原子的问题之一是要让它足够冷。即使是最轻微的温度波动也会掩盖掉原子下落的信号。只能使用中性粒子，如反氢原子，因为即使是遥远的电磁场源也能使带电粒子的接触力大于重力。

明年，Hangst的团队计划使用成熟的技术ALPHA实验的垂直版本——来获得反物质是上升还是下降的明确答案。

到今年年底，GBAR将是第一个受益于ELENA的实验(一个30米周长的环形装置，耗资2600万美元，位于反质子探测器内，旨在进一步降低装置中反质子的速度)。最终，ELENA的速度将降低1/7，并以更清晰的粒子流到达。因为在早期阶段它们将被更有效地冷却，实验将能够捕获更多这样的粒子。

杭斯特说，现在这个团队可以操纵和验证反物质，越来越多的物理学家对这项工作感兴趣。如果没有技术上的僵局来阻止实验，Doser相信到20世纪20年代末，物理学家将足够敏感来处理反物质，并能在原子物理学中完成一系列壮举，包括建*物质原子钟。“现在，我看到许多想法涌现，这是该领域快速发展的标志。”他说，“我希望欧洲粒子物理研究所永远不会把我踢出去，因为我已经有了未来30年的研究计划。”(晋南编)