科技日?qǐng)?bào)訊 （記者華凌）據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)1月22日（北京時(shí)間）報(bào)道，歐洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反質(zhì)子原子光譜和碰撞）實(shí)驗(yàn)首次成功制造出反氫原子束，并在產(chǎn)生反氫原子地方向下2.7米的范圍內(nèi)，即遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域，檢測(cè)到80個(gè)反氫原子。這個(gè)結(jié)果意味著朝向精確的超精細(xì)反氫原子光譜研究邁出重要一步。該研究結(jié)果刊登在1月21日的《自然·通訊》雜志上。
為什么宇宙是由正物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成？當(dāng)前有關(guān)亞原子世界的最優(yōu)理論——粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型也無(wú)法給出答案。但科學(xué)家認(rèn)為，物質(zhì)和反物質(zhì)屬性之間的微小差異可能就是答案所在，而這種差異體現(xiàn)在違反CPT對(duì)稱定理上。CPT對(duì)稱指把粒子用反粒子替換，右手坐標(biāo)系換成左手坐標(biāo)系，以及所有粒子速度反向，物理定律不變。而反氫原子由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)正電子構(gòu)成，這樣簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是測(cè)試CPT對(duì)稱的最佳模型。
迄今，在宇宙中從未觀測(cè)到原始的反物質(zhì)，CERN在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將反電子（正電子）和由反質(zhì)子減速器產(chǎn)生的低能量反質(zhì)子混合，產(chǎn)生大量反氫原子。氫和反氫原子的光譜預(yù)測(cè)是完全相同的，所以在它們之間的任何微小差異會(huì)給新的物理學(xué)打開(kāi)一扇窗口，并可能在解決反物質(zhì)之謎方面有所助力。憑借其單一質(zhì)子只伴隨有一個(gè)電子，氫是最簡(jiǎn)單存在的原子，在現(xiàn)代物理學(xué)中是最精確研究并極好理解的一種體系。因此，比較氫和反氫原子構(gòu)成是執(zhí)行物質(zhì)/反物質(zhì)對(duì)稱性高精度測(cè)試的最佳途徑之一。
當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇，它們會(huì)立刻消減，因此除了創(chuàng)建反氫原子，保持反原子（由反粒子組成的原子）遠(yuǎn)離普通物質(zhì)更是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。要做到此點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)需利用反氫原子的磁特性（類(lèi)似于氫氣的），并使用非常強(qiáng)的非均勻磁場(chǎng)誘捕反原子足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)研究。然而，強(qiáng)磁場(chǎng)的場(chǎng)梯度會(huì)降低（反）原子的光譜性質(zhì)。
在ASACUSA實(shí)驗(yàn)中，研究人員開(kāi)發(fā)出一個(gè)創(chuàng)新的粒子陷阱裝置——“卡斯波”陷阱，可利用多個(gè)磁場(chǎng)的綜合作用將反質(zhì)子和正電子集合到一起，形成反氫原子。然后這些反氫原子轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域，導(dǎo)入真空管狀通道中呈現(xiàn)飛行狀態(tài)，由此測(cè)量反氫原子由基態(tài)開(kāi)始的超精微躍遷。
ASACUSA協(xié)作團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者、日本理化學(xué)研究所山崎說(shuō)：“由于反氫原子沒(méi)有電荷，這給將其從陷阱中運(yùn)送出來(lái)造成一大挑戰(zhàn)。這項(xiàng)研究結(jié)果對(duì)超精細(xì)反氫原子研究非常有前景，特別是光譜特性。在反氫原子中其測(cè)量將允許對(duì)物質(zhì)/反物質(zhì)對(duì)稱性最敏感的測(cè)試，我們期待今年夏天將這個(gè)裝置重新啟動(dòng)改進(jìn)?！盇SACUSA實(shí)驗(yàn)下一步將優(yōu)化反氫原子束的強(qiáng)度和動(dòng)能，以更好地了解其量子狀態(tài)。
總編輯圈點(diǎn)
繪制精確的超精細(xì)反氫原子光譜，進(jìn)而比較氫和反氫原子構(gòu)成，將提供探索宇宙起源和檢驗(yàn)宇宙大爆炸理論的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，把它比作物理學(xué)的一座“圣杯”并不為過(guò)。無(wú)論最后結(jié)果如何，都能使人類(lèi)在微觀和宏觀兩個(gè)層次上的認(rèn)識(shí)尺度有跨越式提升?，F(xiàn)在，歐核中心向偉大成功又邁了一大步，從十幾年前首次制造出微量反氫原子，到2011年使數(shù)百個(gè)反氫原子停留近16分鐘，再到制造出反氫原子束，他們已經(jīng)踩在諾貝爾獎(jiǎng)的節(jié)奏上。
