科学家首次测量反物质氢原子光谱

欧洲核研究组织阿尔法项目的研究人员首次测量了反原子跃迁。尽管测量结果与普通氢原子的行为没有什么不同，但更精确的实验也许有一天会发现两者之间的细微差别，揭示一种新的“物质-反物质不对称”。

这个实验测量了反氢原子(由正电子和反质子组成)的1s-2s跃迁(从基态到激发态)。这个过程对CPT对称性(电荷-宇称-时间反转对称性)是否被打破很敏感。如果在电荷、宇称和时间反转的共同作用下，一个物理系统的行为保持不变，我们就说这个系统具有CPT对称性。尽管CPT对称性有坚实的理论支持，实验物理学家仍然热衷于测试它。一个原因是，打破CPT对称性可以解释为什么今天的宇宙几乎完全由物质组成——尽管在大爆炸期间应该产生等量的物质和反物质。

像欧洲粒子物理研究所的其他反物质实验一样，ALPHA从一个反质子还原器中取出反质子，然后减慢它们的速度，冷却它们，并把它们与来自Na-22辐射源的正电子(已经过冷)结合，产生反氢原子。因为反氢原子具有微小的磁偶极矩，它们被*在由几个磁场叠加而成的特殊势阱中。

逃脱磁阱

为了进行光谱测量，杭斯特和他的同事将激光束注入磁阱，并在两个反射镜之间来回反射。调谐后，激光频率最终约为普通氢原子1s-2s跃迁频率的一半。这是因为跃迁涉及两个光子的吸收，其频率受到磁阱存在的影响。在跃迁之后，一些反氢原子由于第三光子的吸收而从磁阱电离或自旋反转中逃逸。通过调整激光频率，甚至关闭激光，研究人员重复上述过程11次，并在不同条件下进行测量。

他们发现，当激光调至1s-2s跃迁频率的一半时，平均不到60%的反原子从磁阱中逃逸，这与预期相符。然而，在其他频率或当激光关闭时，没有反原子(在统计误差范围内)从磁阱中逸出。这意味着反氢原子在预期频率下有一个跃迁，因此其行为与正常氢原子一致。

尽管这一结果并未对共面发射对称性构成任何威胁，但实验显示了反原子研究领域的巨大技术进步:反氢原子的产生、冷却和俘获。特别是，Hangst的团队最近在两个领域取得了进展:同时捕获了大量的反原子，在过去的一年里，反原子的数量从一个增加到了14个；在磁阱周围建立了一个谐振腔，以提高激光强度，并使其能够与少量反原子相互作用。

开场敬礼

阿尔法的结果赢得了欧洲粒子物理研究所其他反物质研究团队的赞扬。ASACUSA实验的发言人，东京大学的柳根海亚诺说，这项研究是一个“非常重要的里程碑”。神盾局发言人迈克尔·多塞说这是“准确测量反氢原子光谱的第一个致敬”

然而，每个人都同意，与普通氢原子的光谱测量相比，将实验精度提高约五个数量级并不容易。多塞说，这将带来许多挑战，包括如何在毫开尔文温度下制备反氢原子，以便更多的反氢原子能够被磁阱捕获。如何减少甚至消除磁场对反原子水平的影响？但他补充道，ALPHA在解决技术问题方面非常高效。

Hangst说，明年春天反质子减速器再次启动后，他们将使用更多不同波长的激光进行反氢原子光谱测量。

喜悦和遗憾

哈佛大学的杰拉尔德·加布里尔斯是ATRAP实验的发言人，他说:“我期待着ALPHA或ATRAP最终得到一个完整的高精度1s-2s共振光谱的那一天。”他补充说，事实上，他的团队比雅典娜(阿尔法的前身)早十年开始研究反氢原子的光谱。在欣喜的同时，他也对ATRAP没有取得第一名感到遗憾。

然而，据美因茨大学的沃尔特·欧勒特称，提高光谱测量精度的竞争仍然激烈。虽然ALPHA在起跑线上赢了，但不可能预测哪支队伍会先达到10-15的目标。