反物質(zhì)被認為在我們宇宙的故事中扮演著重要的角色。它是物質(zhì)的對應(yīng)物，一樣有質(zhì)子、中子和電子，但電荷相反。根據(jù)我們對物理定律的最佳理解，今天的宇宙應(yīng)該由物質(zhì)和反物質(zhì)組成。那么事實真是這樣么？
CERN的科學(xué)家們已經(jīng)首次成功用激光冷卻暗物質(zhì) 來源: Chukman So
研究反物質(zhì)是非常困難的，創(chuàng)造反物質(zhì)需要巨大的能量，即使創(chuàng)造成功，它也很容易消失——當(dāng)它與我們周圍的物質(zhì)接觸時，它會自我毀滅。歐洲核子研究組織(法語:Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire;英語:European Organization for Nuclear Research，1954年9月29日設(shè)立，通常被簡稱為CERN，是世界上最大型的粒子物理學(xué)實驗室）已經(jīng)研究產(chǎn)生了一種方法，可以魔法般創(chuàng)造、捕獲和用激光冷卻反物質(zhì)，持續(xù)足夠長的時間，使其能夠進行更精確的測量。這一實驗是解開宇宙中反物質(zhì)消失之謎的重要一步。
正如物質(zhì)是由原子組成的一樣，反物質(zhì)也是由反原子組成的。最容易制造的反質(zhì)子是反氫（——氫在物質(zhì)中的對應(yīng)物，由CERN于1995年首次創(chuàng)造，并于2012年首次測量。由一個圍繞一個反質(zhì)子核運行的反電子(稱為正電子，是電子的反粒子，與電子質(zhì)量相等，但電荷相反）)組成，反氫和氫具有宇宙中最簡單的原子結(jié)構(gòu)。但是制造反氫并不容易。
解決這個問題的經(jīng)典方法是使用粒子對撞機，就像CERN的大型強子對撞機（是粒子物理科學(xué)家為了探索新的粒子和微觀量化粒子的'新物理'機制設(shè)備，是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備，Large Hadron Collider，英文名簡稱為LHC)一樣，可將巨大的動能轉(zhuǎn)換成足夠多的亞原子碎片供我們研究。
電磁阱產(chǎn)生的力將帶電粒子“定住”。來源：Niels Madsen
粒子加速器可以用來制造反質(zhì)子，然而，要制造一個可用的反質(zhì)子，我們需要100萬個質(zhì)子和至少2600萬倍于最終“儲存”在反質(zhì)子中的能量。這使得我們制造的每一個反質(zhì)子都無比不易、無比珍貴。一旦我們創(chuàng)造了足夠多的反質(zhì)子，我們就需要反電子(正電子)來構(gòu)建我們的反原子（通過迫使反質(zhì)子和正電子在電磁阱中接觸而實現(xiàn)的）。令人高興的是，正電子可以很容易地從放射源中收集。另外，還必須要注意這一構(gòu)建必須在真空中發(fā)生，因為如果反粒子與儀器的任何部分接觸，它們就會在接觸中湮滅、完全消失。只有經(jīng)過所有這些步驟，我們才能形成可用的反氫原子，這些原子被磁場組合固定在真空中。
在上面所說的這種狀態(tài)下，才可以測量反氫。我們要測量的是反氫原子兩種能量狀態(tài)之間的關(guān)鍵原子躍遷——這種轉(zhuǎn)變特別適合于精確測量，氫中的當(dāng)量已經(jīng)精確到驚人的小數(shù)點后15位。
我們的反氫測量可精確到小數(shù)點后12位。這比普通氫的最精確測量差了1000倍，但這是目前任何人做過的最好的反氫測量。
但是我們測量的一個關(guān)鍵限制是反原子在阱中的運動，因為它們產(chǎn)生著動能。通過進一步減少這種移動，我們的測量將更加準確。我們的實驗第一次通過用激光爆破反原子實現(xiàn)了這一點。
激光器中的光是由光子組成的，光子自身帶有動量。當(dāng)一個原子吸收一個光子時，原子的速度會發(fā)生微小的變化。通過遵循這一基本原理，我們知道我們可以利用激光束中包含的動量來降低我們捕獲的反原子動能，并將它們冷卻到接近絕對零度。這要求我們只在反原子向激光運動時用光子撞擊反原子，因為這會抵消反原子的一些速度，你可以想象你在秋千上使力從而讓孩子慢下來。
液氦有助于冷卻阱中的反氫，但激光有助于進一步降低溫度。來源：Niels Madsen
通過使用這種定向激光冷卻，我們設(shè)法將儲存的反氫的溫度降低了十倍，這有可能將未來的測量精度提高四倍。除此之外，我們的激光冷卻技術(shù)已經(jīng)使我們在物質(zhì)和反物質(zhì)的許多測量中獲得了更高精度，并使我們更接近于對氫本身進行更精確的測量。
令人興奮的是激光冷卻為測量反氫開辟了更多可能?，F(xiàn)有的技術(shù)可允許我們積累大量反氫，比如每天可積累數(shù)千個反原子，我們將很快對反氫的性質(zhì)有更多的了解——幫助我們理解為什么物質(zhì)在我們的宇宙中無處不在，而反物質(zhì)卻如此難以捉摸。
來源：“Laser cooling of antihydrogen atoms” by C. J. Baker, W. Bertsche, et al., 31 March 2021, Nature. DOI: 10.1038/s41586-021-03289-6
原文參考SciTechDaily，Antimatter: Scientists Trap Elusive Material by Blasting It With Lasers，By NIELS MADSEN, SWANSEA UNIVERSITY
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