CERN首次產生出反物質束流

2020-11-22 果殼網

CERN的ASACUSA實驗裝置，首次成功產生出了反氫原子束流。圖片來源：CERN

射出一束反物質束流，聽起來像是科幻電影裡的反派科學怪人才幹得出來的事情。如今，這樣的壯舉已經被歐洲核子研究中心（CERN）的科學家實現了。他們製造反物質束流，可不是為了佔領地球統制全人類，而是為了進一步探索新物理學，試圖回答一個源自宇宙創生之初的大問題。

1月21日，CERN的ASACUSA實驗團隊在《自然通訊》（Nature Communications）上發文宣布，他們首次成功產生出了反氫原子束流。他們在論文中報告說，明確檢測到了一束由80個反氫原子構成的、長達2.7米的反物質束流。取得這一成就的科學家說，這束反物質束流或許能夠幫助他們破解更深的物理學謎題：為什麼我們周圍的宇宙中物質隨處可見，卻找不到些許反物質？

從理論上講，在我們所知的宇宙創生的那一刻，宇宙大爆炸創造出來的物質和反物質，應該是等量的。但是，任何看過《星球大戰》的人都會知道，物質和反物質一旦相遇，就會立即湮滅，除了一團能量，什麼都不會剩下。然而，如今我們所處的宇宙完全被物質佔據，反物質幾乎蹤跡全無。這到底是為什麼呢？物理學家推測，這必定是因為物質和反物質之間，存在某種微妙的差異。

此前的粒子對撞實驗已經為這種差異提供了少量線索，但物理學家還是希望能夠真正去研究反物質原子，從而一舉解決這一謎題。迄今為止，原始的反物質還從未在宇宙中被觀測到過。不過，將CERN反質子減速器（Antiproton Decelerator）產生的低能反質子，與反電子（即正電子）混合，有可能在實驗裝置中產生出相當數量的反氫原子。

理論預言，反氫原子和氫原子的光譜應該是完全一樣的。如果能夠在兩者之間找到任何細微差異，就將立即開啟一扇通向新物理學的大門，也可能有助於解決反物質之謎。氫原子由單個質子和一個電子構成，是宇宙中存在的最簡單原子，也是被研究得最精確、在現代物理學中被了解得最透徹的微觀體系之一。因此，比對氫原子與反氫原子，也就成了高精度檢驗物質/反物質對稱的最佳方式之一。

問題在於，以往產生出來的反物質原子很難存在足夠長的時間，我們沒有機會對它們進行精細的測量。物質和反物質只要相遇，就會立即湮滅。因此，除了創造出反氫原子以外，物理學家面臨的另一項關鍵挑戰就是，讓反原子遠離普通物質。

為了做到這一點，實驗裝置利用了反氫原子的磁屬性（與氫原子類似），採用超強的非均勻磁場來約束反原子，將它們束縛足夠長的時間加以研究。然而，強大的磁場（確切地說，是磁場的梯度）又會破壞反物質原子的光譜特性。為了獲得純淨的高分辨光譜，ASACUSA團隊開發了一套前所未有的裝置，將反氫原子移到遠離強磁場的區域，以便在它們飛行的途中細緻地研究它們。

「反氫原子不帶電荷，將它們移出約束阱是一項艱巨的挑戰，」日本理化學研究所的山崎泰規（Yasunori Yamazaki）說，他也是ASACUSA團隊的負責人之一。「對於反氫原子的高精度研究，特別是超精細結構研究來說，我們的結果給出了極好的前景。超精細結構是氫原子光譜中被了解得最為透徹的兩個特性之一。測量反氫原子的這一特性，將為物質/反物質對稱提供最為靈敏的檢驗。」

ASACUSA實驗的下一步，將是優化反氫原子束流的強度和動能，進一步了解它們所處的量子態。山崎泰規透露，今年夏天他們將利用改進過的裝置，重啟這項實驗。

PS：單個氫原子的質量約為1.67×10－27千克。根據愛因斯坦的質量能方程E ＝ mc2，這束由80個反氫原子構成的束流如果全部湮滅成能量的話，將釋放出2.4×10－8焦耳的能量——大概相當於10粒米以每秒1釐米的速度撞到你身上所釋放的動能。所以，我們暫時還不必擔心《星球大戰》中能夠毀天滅地的反物質炸彈會成為現實。

消息來源：CERN官網，Antimatter experiment produces first beam of antihydrogen

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