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

  該實驗測量的是反氫原子（由一個正電子和一個反質(zhì)子組成）的1s-2s躍遷（從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)）。這一過程對是否破壞 CPT 對稱性（電荷-宇稱-時間反演對稱性）敏感。如果物理系統(tǒng)的行為在電荷、宇稱和時間反演的共同作用下保持不變，我們就說該系統(tǒng)具有 CPT 對稱性。雖然 CPT 對稱性具有堅實的理論支持，但實驗物理學(xué)家仍熱衷于對它進(jìn)行檢驗。原因之一在于破壞 CPT 對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 的其他幾個反物質(zhì)實驗項目一樣，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，再與來自 Na-22放射源的正電子（已經(jīng)過冷卻）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磁場疊加產(chǎn)生的特殊的勢阱中。

　　逃脫磁阱

  為了進(jìn)行光譜測量，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回反射。經(jīng)過調(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。這是因為該躍遷涉及兩個光子的吸收，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——由于吸收了第三個光子導(dǎo)致電離或是發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)。通過調(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程重復(fù)了11次并進(jìn)行測量。

  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，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，沒有反原子（在統(tǒng)計誤差范圍內(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 CPT 對稱性沒有任何威脅，但該實驗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)隊最近在兩個領(lǐng)域取得了進(jìn)展：同時捕獲大量反原子，在過去一年中，數(shù)量從一個提高到14個；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)隊的贊譽(yù)。ASACUSA 實驗發(fā)言人，東京大學(xué)的 Ryugo Hayano 認(rèn)為該研究是個“非常重要的里程碑”。而 AEgIS 發(fā)言人 Michael Doser 則表示它是“精確測量反氫原子光譜的開幕禮炮”。

  然而，所有人都一致認(rèn)為，要將實驗精度提高大約五個數(shù)量級，與普通氫原子的光譜測量進(jìn)行比較并不容易。 Doser 表示這將帶來許多挑戰(zhàn)，包括如何在毫開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對反原子能級的影響。但他補(bǔ)充說，ALPHA 在解決技術(shù)問題方面非常高效。

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

　　喜悅與遺憾

  ATRAP 實驗的發(fā)言人，哈佛大學(xué)的 Gerald Gabrielse 說：“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，實際上他的團(tuán)隊比 ATHENA（ALPHA 的前身）早十年就開始研究反氫原子光譜。在喜悅的同時，他也遺憾 ATRAP 沒有第一個得到結(jié)果。

  不過，根據(jù)美因茨大學(xué)的 Walter Oelert 所說，提高光譜測量精度的競爭仍很激烈。雖然 ALPHA 贏在起跑線上，但無法預(yù)測哪個團(tuán)隊將最先達(dá)到10-15的目標(biāo)。