作者/文龙

一个世纪前，试验室发觉了反物质粒子的存在，拉开了物理学家们对反物质举行试验研究的序幕；40年前，一般原子的激光利用和冷却彻底转变了当代原子物理学，促成了数项得到诺贝尔奖的试验。

克日，欧洲核子研究中间（CERN）ALPHA互助的一组物理学家公布，他们可以运用激光极大地减慢反物质的速率，使其温度靠近肯定零度。这项突破性的成绩孕育发生了有史以来温度最低的反物质并实现了对它的利用，将来可以关心科学家们进一步相识反物质。

他们的研究结果于3月31日以「激光冷却反氢原子」（Laser cooling of antihydrogen atoms）为题颁发在《天然》（Nature）杂志上，并登上了杂志封面。

在粒子物理学中，乐成的量子力必定要思量反物质的存在。反物质是正常物质的对立状态，当二者联合时，就会产生殒灭。反物质粒子质量与正常物质粒子雷同，却带有相反的电荷。

反氢原子仅由反质子（带负电荷的质子）和反电子（带正电荷的电子）两个反物质粒子构成，是最简洁的稳健的反物质原子。是以，对反氢原子的丈量是用来测试物质与反物质之间的对称性的一种抱负的方法，但是反粒子物质很难操纵，试验有着庞大的停滞。

研究职员研发了一种激光器，该激光器颠末认真调谐，发出波长仅使反氢原子向内移动的光子，被捕捉的反氢原子通过汲取光子得以减速。因为多普勒效应，激光束的光向较短的波长偏移，偏移后的波长恰好与原子必要汲取的光子能量立室，使原子从基态提拔到引发态。然后，原子再通过沿随机偏向放射另一个光子而自觉地返回基态，脱离激光器。

图示：多普勒效应冷却反氢原子。（泉源：Nature）

冷却服从仍有待进步

「被困住的反氢原子的活动速率与最高时速的兰博基尼一样快，每小时凌驾200英里。」在汲取了几十个光子之后，样品中的一部门原子速率会减慢到每小时50公里以下。

速率的低落对应于原子的冷却，冷却的反氢原子的丈量精度险些是未冷却的三倍，这将使研究职员可以或许以比曩昔更高的精度对氢和反氢的原子跃迁举行比力。

加拿大TRIUMF粒子加快器团队的粒子物理学家Makoto Fujiwara说：「在平常生存中，快速移动的事物比慢速移动的事物更丢脸到。同样的事变在量子物理学中也会产生。你可以观看的时间越久，丈量就越准确。」

但是，他们的要领存在必然的范围性，很难孕育发生充足强度的激光来有用地冷却反氢原子，每个原子都必要大量时间汲取数十个光子才气冷却到充足低的温度。

Fujiwara解说道：「这有点像我们在原子上射出一个小球，而且球很小，以是在碰撞中减小的速率很小，但是我们重复了许多次，终极原子的活动速率得到了减慢。」

将来，该团队打算在试验中增添激光功率，大概利用一连的而不是脉冲的激光束，以加速冷却历程。

图示：Makoto Fujiwara与CERN的ALPHA试验装置的合影。（泉源：gizmodo.com）

解开宇宙之谜

通过冷却反物质，研究职员将可以或许实行种种周密测试，以进一步研究反物质的特性，包罗大概展现宇宙根本对称性的试验。这些测试可以提供有关宇宙为何重要由物质而不是大爆炸模子所猜测的等量的物质、反物质组成的线索。

不列颠哥伦比亚大学（UBC）的研究职员Takamasa Momose指出：「通过这种技能，我们可以办理恒久存在的谜团，比方『反物质怎样对重力作出反响？反物质可以关心我们了解物理学中的对称性吗？』这些答案大概从基础上转变我们对宇宙的了解。」

Fujiwara表现：「对付我们来说，这的确是一个令人愉快的里程碑，但是更令人愉快的是，这使我们可以或许在不久的未来举行曩昔无法想象的丈量和试验。」这些大概性中的大多数与查找物质和反物质举动的渺小差异所一定举行的极其准确的丈量有关。

他们打算举行的一项旨在丈量重力对反物质影响的项目就必要冷却的反氢原子。「我们要做的是给反氢原子一个光子，看它怎样失下来，是否与正常物质完全雷同。假如原子未冷却，它们移动得很快，那么当你开释时，就会四散到到处。我们就看不到重力起到什么作用。但是，假如你让着落变得很慢，它们对重力的反响就会越发显着。」

Momose和Fujiwara对进一步探究反物质抱有一系列盼望。他们以为，用激光冷却反氢原子将成为反物质研究中的一种厘革性东西，其最令人愉快的应用大概尚未实现。至少，这将是将来利用反氢原子举行准确丈量的出发点。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03289-6