万事万物的终极解答，会是反物质吗？

撰文 | Elizabeth Gibney

翻译 | Nature自然科研

根据Douglas Adams在《银河系漫游指南》一书中的描述，生命、宇宙与万事万物的终极解答是42。他离正确答案只差两倍：宇宙的答案是21。或者更准确地说，21厘米，也就是当氢原子从一个特定能态转移到另一能态时发出的辐射波的波长。这就是为什么NASA在1972年发射的先驱者10号航天器带着的镀金铝板上，画着身高以二进制的“8”表现的女人。（8个21厘米就是1.68米）

NASA在1972年发射的先驱者10号航天器，航天器上有一块金属板，包含一条展示氢原子能量跃迁的信息（左上角）。

图片来源：NASA

在二十世纪，许多知名物理学家都使用氢原子来预测和检验亚原子的相互作用。最近发表的一篇论文描述了该实验方法的重大进展——实验将研究方向带入反物质的神秘领域。它表明，反氢（氢对应的反物质）也产生著名的21厘米氢发射谱线 （M. Ahmadi et al. Nature 548, 66–69; 2017）。

这个最新实验可以解答一些基本问题。物理学中的标准模型描述维系宇宙的规则，检测该标准模型的漏洞的一种方法是寻找和发现物质及其对应的反物质的行为差异。几十年来对氢原子的仔细分析提供了一个基准，用来对比相应反氢物质的测量数据。测量结果中的任何偏差都可能打开一扇通往新物理学的大门：宇宙的答案——某地的某人或许已经知晓。

——《自然》社论 Why antimatter might be the answer to life, the Universe and everything

在CERN的高架仓库里，六个彼此竞争的实验组都想成为第一个摸清宇宙中最神秘材料的性质的团队。这些实验彼此仅相距几米，有的甚至在“叠罗汉”：一个金属横梁交叉着另一个，就像购物中心的自动扶梯，多层混凝土支架摇摇欲坠地挂在头顶。

CERN的一个实验室拥有唯一可用的反质子源，反质子是质子对应的反物质。

Maximilien Brice/CERN

“我们无时不刻地意识到竞争对手的存在，” 领导AEGIS项目的物理学家Michael Doser说。该项目力争成为第一个发现反物质（物质的稀有镜像）如何对重力做出反应的团队。

Doser和他的竞争对手们别无选择，只得随遇而安。CERN是瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室，拥有世界上唯一的反质子源——反质子除了拥有相反的电荷和自旋外，在其他任何方面似乎都与质子无异。

实验室的反质子减速器是一个周长182米的环，它从实验室中类似大型强子对撞机（LHC）的其他加速器中得到反质子。这些反质子以接近光速的速度进入该设备。顾名思义，减速器减缓粒子的运动并提供反质子流，各个实验必须轮流获取这些反质子。所有这一切都必须小心操作：一旦遇到物质，反物质便会湮灭，释放高能辐射。

几十年来，科学家一直在努力稳定反质子和由反质子构建的反氢原子足够长时间以作研究。过去几年出现了飞跃性的进展：实验人员现在可以控制足够多的反粒子来开始认真探测反物质，并对其基本性质和内部结构进行越来越精确的测量。名为ALPHA的实验的领导人Jeffrey Hangst表示，至少理论上，他的团队现在可以像做氢原子实验一样对反氢原子做同样的实验。“对我来说，目前的成果便是我25年来所一直追求的。”他说。

这些实验任重道远：物质和反物质的性质之间哪怕极小的差异，也可以解释任何事物存在的原因。就物理学家所知，在宇宙形成初期，应该有等量的物质和反物质被创造出来，照理来说两者相互冲击湮灭抵消。但这并没有发生，目前不平衡状态的起源仍然是物理学中最大的谜题之一。

CERN的努力不太可能在短时间内攻克这个难题。迄今反物质已被证明与物质惊人得相似，许多物理学家认为这个结论不会被改变，因为任何差异都会撼动现代物理学的根基。但是，这六项实验（它们是CERN在30多年前启动的一系列研究中最新的一组）引起了人们的关注，因为LHC在继续寻找可以解释反物质悖论的粒子上一无所获。

此外，团队在操控反物质方面的飞跃进展已经为他们赢得了对该机构的反质子工厂的重大升级 ——一个最前沿的减速器，它将在今年年底前开始运行，并最终能使实验处理比现在多100倍的粒子（见下图）。

Source: CERN

数十名从事CERN实验的物理学家知道他们面临着艰巨的挑战。反物质相关的实验非常难做，团队之间的竞争很激烈，发现新结果的可能性却又似乎很小。但是，CERN的反物质研究者为最终打开宇宙研究的新窗口这一激动人心的可能结果奋斗不息。“这是实验上的一项壮举，无论你得到什么答案，你都可以为此感到自豪，”Hangst说。反物质研究并不一定会产生重大发现。但是，“如果你努力得到了一些结果”，他说，“不去进一步研究它简直是犯罪！”

反物质物理学的根源可以追溯到1928年，当时英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）写了一个描述电子以接近光速的速度运动的方程。狄拉克认识到，他的方程必须有正值解和负值解。他后来将这件数学怪事解释为对反电子——现在被称为正电子——存在的暗示，并且得出每个粒子都应该存在对应反物质的理论。

实验物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在1932年证实了正电子的存在，当时他发现一个疑似电子的粒子，但是当它穿过磁场时轨迹向相反的方向弯曲。物理学家很快就意识到，正电子经常在碰撞中产生：当用足够的能量粉碎粒子时，其中一些能量就可以变成一对物质–反物质。

到20世纪50年代，研究人员开始在粒子转换中使用这种能量并生产反质子。但是，人们花了几十年的时间才找到能够产生足够多的反质子的方法以用于捕捉和研究。其中一个研究动机非常令人心动——将反质子和正电子配对来制造反氢，然后与已经被充分研究的氢原子进行比较（参见下图）。

Source: CERN

生产正电子的过程直截了当。这些粒子在某些类型的放射性衰变中产生，并且可以直接被电场和磁场捕获。但是质量更大的反质子就是另一回事了。反质子可以通过质子撞击致密金属产生，但是这种碰撞中产生的反质子移动太快而无法被电磁阱束缚住。

反物质寻求者需要一种大规模减慢或冷却粒子的方式。CERN对减速和储存反物质的尝试始于1982年，用的是低能反质子环（LEAR）。在1995年，LEAR被关闭的前一年，一个团队使用该设施的反质子产生了第一批反氢原子。

LEAR的替代品——反物质减速器于2000年上线，并进行了三次实验。与其前身类似，它使反粒子易于控制，首先使用磁铁将它们聚集在一起，然后用强电场使其减速。电子束也与反质子交换热量，冷却但不会接触到它们，因为这些粒子类型都是带负电的因而相互排斥。整个过程将反质子速度降低到光速的十分之一。但是反质子速度仍然太快而无法使用，所以所有这六个实验都使用先进技术来进一步减缓和捕获反质子。

过程中产生很大消耗。实验采用以3000万为 “一剂”的反质子，要生产一剂反质子，必须将12万亿个质子砸向靶标。Hangst的ALPHA实验已经让反质子减速到足以与正电子配对并产生反氢的程度，但只有30个粒子保留下来，其余的或逃脱，或被湮灭或因要么太快要么状态错误而被丢弃，Hangst表示用如此少量的反原子做实验相当痛苦，“当你必须和这些东西打交道时，你会对所有其他的物理学都产生全新的态度。”

CERN的反物质研究最终将会面临来自德国Darmstadt的反质子和离子研究设备的竞争，该设施耗资10亿欧元（77.787亿人民币），是一个国际性的加速器综合设备，并将在2025年左右建成。但目前，CERN是唯一能够产生速度低到能用于研究的粒子的设备。

现在，在反物质实验室中有五个实验正在进行（其中一个，GBAR，仍在建造中）。每个实验组都有自己研究反质子的方式。虽然有些人的实验独一无二，但他们也经常争相测量相同的性质，并独立证实彼此的实验结果（见下图）。

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Source: CERN

这些实验共享一个粒子束，这意味着在任何两周的时间里，五个实验中只有三个能有机会使用粒子束，每8小时轮换一次。每周进行的协调会议确保每个实验组都知道旁组的磁铁何时运行，以免破坏敏感测量。但是尽管距离很近，团队通常在论文中读到他们旁边的研究者们所取得的突破。“我们的实验建立在竞争的基础上，这是好事。它能激励你。” Hangst说。

现在，六个实验中只有一个实验——BASE——直接研究反质子减速器中出来的反质子。BASE将粒子束缚在彭宁离子阱中，该阱是一个复杂的电场（在垂直方向约束粒子）和磁场（使粒子绕圈旋转）的阵列。该团队可以将反质子储存一年以上，而且利用阱中的反质子轨道得到了该粒子的最高精度的荷质比。

该组还使用复杂的方法来揭示反质子的磁矩——类似于它的内禀磁性。测量包括在两个分离的阱之间快速移动单个粒子，并检测振荡微波场中微小偏移所引起的变化。掌握这门技术已成为日本和光的 RIKEN项目物理学家兼协作领导Stefan Ulmer的追求。“我的心思全都在这里，”他说。

CERN实验研究的反氢原子自身便充满挑战。因为它是中性的，所以它对电场没有反应，因此几乎不可能控制它。实验必须利用反原子的弱磁性，用“磁性瓶”来束缚粒子。为了使该瓶子工作，内部的磁场必须在很小的距离上剧烈变化，仅在1mm的尺度上就有1特斯拉的变化——1特斯拉相当于汽车废弃场上用来抬汽车的磁铁的强度。即使如此，反氢原子的温度必须低于0.5开尔文，否则它们将会逃逸。

第一批反氢原子由移动的反质子产生，维持了约四百亿分之一秒。在2002年，ATRAP和ALPHA的前身ATHENA这两个实验第一次减速反质子至足以产生大量反氢的速度，每个反质子能聚集数千个原子。约十年之后才出现另一个重大突破，研究团队做到持续束缚反原子达几分钟之久。他们自此已经测量了诸如电荷和质量等许多属性并使用激光来探测能级。在本期《自然》杂志中，ALPHA报告了其最新进展：目前最精确的反氢原子的超精细结构的测量；反质子与正电子之间的相互作可引起微小的内部能量偏移。

CERN实验探索了一系列的反物质性质，其中任何一种都可能显现出与物质的差异。反物质研究老将Masaki Hori说，这些实验的共同目标就是不断缩小不确定性。他领导ASACUSA实验，该实验使用激光来研究没有受到陷阱干扰力的飞行中的反原子。去年，该团队精确测量了反质子质量与电子质量的比例，该测量使用了奇特氦原子，其中的电子被反质子代替。像目前其他测量一样，该测量显示物质和反物质之间并没有差异。但是每次结果都是对物质和反物质是否真正是镜像的更严格测试。

如果实验检测到物质和反物质之间的任何差异，那将是一个令人震惊的发现。这意味着结果违反电荷，宇称和时间反向变换（CPT）对称性的原则。根据这个原则，一个充满反物质且时间倒流的镜像宇宙，将具有与我们相同的物理学规律。CPT对称性是相对论和量子场理论等理论的支柱。打破它就相当于打破物理学。事实上，只有极端理论预测反物质实验会有所发现。

因此，LHC的物理学家常常用“困惑的目光”看待反物质研究者，Doser说，他研究反物质已有30多年。“他们认为这些东西很有趣，但不太可能会带我们找到新东西，”他说。CERN理论家Urs Wiedemann似乎也同意这个观点。他说实验操纵反物质的能力令人“匪夷所思”，而且这些对理论的测试至关重要，但是“如果你问是否存在坚实的物理动机支持新发现的出现，我认为合理的答案是‘否’”。

不过，LHC在解决反物质谜题方面的确有突破。一些始于20世纪60年代的实验表明，在某些物理过程，如奇异K介子衰变成更熟悉的粒子过程中，存在微小的偏差，暗示物质产生。LHC实验一直在寻找更多这样的偏差，甚至是一大堆尚未发现的粒子，其在早期宇宙中的行为可能导致了维持到现在的物质-反物质严重失衡。

有充分的理由怀疑这样的粒子是存在的：超对称性理论曾预测他们存在，该理论被提出用于解决粒子物理理论中的未解之谜。但是在八年的搜索中依然没有这样的粒子出现。现在，最简单，最简练的超对称理论版本——在一开始就吸引大量注意力的理论——已大体被排除。“目前，LHC正在寻找可能存在或可能不存在的假想粒子，该理论几乎没有为其提供任何指导。在某种程度上，这与我们所处的处境是一样的。“Doser说。

CERN的新型反质子减速器ELENA今年将开始减速粒子以用于研究。

Maximilien Brice/CERN

几个团队正在摩拳擦掌迎接下一个重大挑战：在重力下测量反物质加速度的竞赛。物理学家普遍认为反物质就像物质一样下落。但是一些边缘理论预言，它具有“负质量”——它将被物质排斥而非吸引。反物质的这种属性可能会解释身份尚不明确的暗能量和暗物质的作用。但大多数主流理论家认为这样的宇宙在本质上是不稳定的。

像以往一样，测量自由落体中的反氢原子的关键是将其温度降到足够低。即便是最小的热波动也会掩盖掉下落原子的信号。并且只能使用中性粒子，如反氢原子，因为即使遥远的电磁场来源也可以给带电粒子施加比重力大得多的力。

明年，Hangst团队的目标是使用成熟的技术，即ALPHA实验的垂直版本，来明确证实反物质是上升还是下降。“当然我认为我们会率先获得成功，否则我不会开展实验，”他说。但是另外两个实验——Doser的AEGIS和反物质实验室的最新成员，GBAR——也紧随其后。两者都采用激光冷却技术来提高精度，这将使他们能够比目前的ALPHA实验提取到反物质与物质加速度之间更加微妙的差异。

AEGIS将测量一束水平的反氢原子束的弯曲，而GBAR将让它的反原子自由落体20厘米。两者都力求将反原子的温度降至绝对零度以上的几千分之一度，从而让重力加速度的测量精度达到百分之一，而且计划得到更高的精度。

今年晚些时候，GBAR将成为ELENA的第一个受益者，这是一个全新的造价2500万瑞士法郎（约1.7亿人民币）、周长30米的圆环，它位于反质子减速器内，作用是进一步减缓从加速器出来的反质子的速度。最终，ELENA将会几乎同时为所有实验提供粒子。反质子的速度将放慢七倍，而且粒子束更窄。因为它们将在早期被更有效地冷却，实验应该能够捕获更多的粒子。

Hangst说，现在这些团队已经可以操纵和测试反物质，越来越多的物理学家正在对这项工作感兴趣。他们甚至提出实验想法和数值以供对照。而且这些团队也将目光放到领域之外，思考他们的技术如何可以帮助到其他的研究领域。例如，GBAR团队正在开发一种便携式陷阱，以将反质子运送到一项称为ISOLDE的CERN实验中，在那里它们可以被用来为不稳定放射性原子的中子成像。

假设技术僵局没有阻碍前进的步伐，Doser认为到21世纪20年代末，物理学家将会熟练处理反物质并能够复制一系列原子物理领域的壮举，包括构建反物质原子钟。“我看到很多想法正在涌现，这是该领域正在迅速发展的迹象，”他说，“我希望CERN不要踢开我，因为我已有未来30年的计划。”

本文转载自公众号“Nature自然科研”（ID：macmillan-nature）

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