物理学家要给反物质搬家，总共分几步？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-03-20 14:42

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物理学家要给反物质要搬家，“行李”怎么收拾？

据 Nature 新闻报道，欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，简称CERN）发起了一个新项目—— 即将反物质从CERN运送到其他实验室。这是首次给反物质“搬家” ，而且他们计划用一辆卡车运送。除了在CERN内部转移，他们还要送到欧洲其他实验室， 这意味着世界上“最危险”的物质将出现在欧洲的马路上。 将比核聚变还危险的反物质带出实验室，这多少听起来很有些“骇人听闻”。

了解反物质，要从物质说起。物质由质子、中子和电子构成，这些粒子通常被称为基本粒子。同时被定义的还有质子带正电，中子不带电，电子带负电。反物质，顾名思义，一切都和物质反着来， 反原子由反质子、反中子和反电子构成。与原子相比，它们的质量相等，携带的电荷相反，内部磁场也相反。 自然界中常见的是物质，反物质并不常见。目前，随着对粒子研究的深入，我们对原子内部结构的认识逐渐丰富，而对于反物质的研究，由于其稀缺性和诸多其他困难，研究过程更显得困难重重。但是，开展反物质的研究对人类认识世界非常重要，这也是科学家们一直在努力的原因。

当物质和反物质相遇，随即发生“湮灭”，这是一个由质量转化为能量的过程，原有物质形式消失成为纯电磁辐射，当然也有可能产生其他的粒子—反粒子对，例如，在高能状态下，质子和反质子湮灭后可能产生介子和中性介子。湮灭过程中释放的能量可以依据质能方程E=mc²计算。 广岛原子弹爆炸的能量约为1.5万吨TNT当量，一颗典型的氢弹爆炸的能量达到几百万吨的TNT当量，而6克反物质湮灭产生的能量足以毁灭一座大型城市。

物理学家开展反物质研究的目的必然不是想毁灭地球，就像研究核反应的初衷也并不是为了制造武器。反物质作为一种客观存在的粒子，湮灭产生能量是它的客观现象，而研究它是为了更好地了解利用，也是为了保护人类。 特别是，科学家希望通过对反物质的研究窥探到宇宙大爆炸初期世界的状态。

宇宙大爆炸发生几个微秒后产生了极端高温高密的退禁闭的夸克-胶子等离子体（QGP），此时存在数量相当的正粒子与反粒子 ^[1] ，随后迅速反应生成强子。理论上讲，这时正粒子和反粒子应该湮灭。然而，由于某种未知的机制破坏了正反粒子的平衡，物质留下来形成了我们目前所见到的世界。反粒子哪去了？宇宙中的对称性似乎没那么严谨了。

关于反物质的研究可以追溯到1898年，德裔英国物理学家Arthur Schuster以 Potential Matter-A Holiday Dream 为题在 Nature 发表文章，首次提出了反物质的概念。1932年，美国物理学家Philip Anderson通过带有磁场的探测器观测到了来自宇宙射线的正电子；1955年Emilio Segrè 和 Owen Chamberlain 等 ^[2] 在美国伯克利的回旋加速器上发现了反质子，他们分别获得了 1936 年与 1959 年的诺贝尔物理学奖。

在发现反物质后，科学家们一直尝试在地球上制造反原子。终于，1995年，CERN的ATHENA和ATRAP实验首次成功制造了反氢原子（由一个反质子和一个正电子组成）；到了2010年，他们已经可以将反质子的寿命控制到172 ms ^{[3, 4]} ；2011年，反氢原子的寿命延长到1000 s ^[5] 。目前，反质子的储存记录是405天。这一切得益于磁阱（如Penning阱和Paul阱）技术的使用，它能够使粒子处于悬浮状态，从而杜绝与容器壁接触发生湮灭的可能。这也是本文提到的反物质可以“转移”的技术前提。

如何理解磁阱？在学习量子力学的时候，“一维无限深势阱”的字眼频繁出现。我常常想，这是怎样的一个“阱”，要多深才能称之为无限深，要多大的势能才能足够称之为“阱”，百思不能将其具象化。我也常常想，为什么一定是“阱”，是否可以是“篮子”或者“盒子”呢？“阱”，多以“陷阱”成为一个词出现，所谓陷阱，可以是地下挖的深坑，也可以是放在地面的“老鼠夹子”，也可能是触发即可吊起猎物的网兜，总之陷阱是与猎物之间的关系是，猎物一旦“掉入”陷阱，就会进入一种状态，一种失去自由、身不由己的状态，物理学称之为“束缚态”。这里，反物质可以看作“猎物”，而能够限制反物质的陷阱就是“磁阱”。区别在于， 磁阱由磁场构成，在磁场作用下，反质子被“困”在真空舱（或瓶）中，保持相对独立状态。

有人要问，是什么原因导致了粒子的这场必需的“出走”呢？是实验精度的需要。欧洲核子研究中心的粒子加速器就是反质子的诞生地，各项实验在中心开展顺理成章，但是，周围背景磁场干扰了结果的准确度，于是科学家有了更换实验地点的想法。更换实验地点会显著提高精度吗？相比较而言，大约能将精度提高100多倍。

是否可以考虑换个地方重建一套装置呢？有人估算过，一克反物质的价值是62.5万亿美元，生产反质子的过程需要耗费大量的电力，以欧洲当前取暖都很困难的现状，大概即没有电力供应，也没可能拿出多余的经费建造新的设施。

正式开始运输反物质之前，为了考察实验的可行性，科学家们用质子做了个预备试验。为什么选择质子作为“替代品”参与实验？一则“反质子”真的很贵，不好随便浪费；二则因为质子和反质子的性质相似，如果质子可以成功转运，那反质子也可以。区别大概就是反质子运输要求的条件会苛刻一些。欧洲核子研究中心物理学家Christian Smorra说：“如果你可以用质子做这件事，那么它也可以用反质子做。唯一的区别是，你需要一个更好的真空室来容纳反质子。”

BASE-STEP项目中承载质子的“转移设施”在吊臂下离开实验大厅。图片来源：CERN

首批70个质子作为先头部队，在起重机的帮助下已经率先登上了运送用的卡车。70个质子，起重机吊装，一辆卡车。是的，你没有看错。未结合的质子以离散形式存在，俗称“质子云”，为了保持它们的“独立”性，需要被“封存”在磁阱中。形成磁阱需要超导磁体，超导磁体需要周围环境温度在几个开尔文，维持低温需要安装液氦冷却系统，同时导体磁性需要电力系统维持，最后是装质子的真空舱。一整套专用系统搭建完成，系统自重已经超过一吨重。实际上，转运过程中，相比于担心颠簸可能引起的湮灭，科学家们最担心的是供电是否能够持久，毕竟集装箱内携带的电能有限。为什么不能配备一套足够强大的电力系统，这恐怕要问问实验中心那个大厅的门的尺寸，转运装置太大肯定出不了门。大概，实验大厅在设计初期也没有预想到，有一天粒子会“搬家”。

BASE-STEP项目中承载质子的“转移设施”在吊臂下落入卡车。图片来源：CERN

转场结束，绿色信号表明70个质子还“活着”。图片来源：CERN

回到开始的话题， 反物质是否可以顺利上路，目前还没有结论。 其实，即便运输中发生意外，譬如所有运送的质子都发生湮灭，产生的能量大概也就相当于一根铅笔从桌子上落到地上的损失的能量，并不会有爆炸产生。这个杀伤力和一只蚂蚁咬了大象一口造成的损伤差不多。与其说路人害怕反物质湮灭的杀伤力，更该担忧的是欧洲核子研究中心，这一车粒子的成本不要太高，需要上多少保险才能避免损失，又有哪个保险公司愿意投保。反过来说，这样一辆“豪车”上路，谁又敢靠近呢。

真正的转运过程分为两个计划实施，BASE-STEP和PUMA。前者计划包含运输大约1000个反质子到实验条件更好的实验室，以开展对反质子更精密的观测，位于德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学可能是长距离运输的第一个目的地。PUMA计划则是在中心内部两个相距600米的场地间转运，转运10亿个反质子到ISOLDE设施中，研究奇异原子的性质。

与其关心运输的安全性，我们不如一起来期待一下这些被“转场”的粒子，看看它们能给我们带来哪些惊喜。

参考文献

[1] 马余刚. 反物质研究进展. 物理学报 , 2024, 73(19): 191101. doi: 10.7498/aps.73.20241020

[2] Chamberlain O, Goldhaber G, Jauneau L, Kalogeropoulos T, Segrè E, Silberberg R 1959 Phys. Rev. 113 1615

[3] Andresen G B, Ashkezari M, Baquero-Ruiz M, et al. 2010

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