6個國際團隊爭相回答宇宙最深處的問題

　　 在歐洲核子研究中心（CERN）一個天花板極高的庫房內，6個競爭性的實驗正在爭先恐后地賽跑，以了解宇宙中最難琢磨的一種物質的特征。這些實驗相隔僅數米，從所處位置看，它們幾乎堆疊在一起，每個設備與另一個設備泛出的金屬光澤像購物中心的電梯一樣縱橫交錯，其數噸重的混凝土支架有些可怕地懸在頭定。

　　“我們經常會提醒對方。”物理學家、帶領AEGIS（一項旨在成為首個發現反物質如何對引力做出回應的實驗）項目的Michael Doser說。

　　Doser除了讓自己感到舒適外沒有別的選擇。CERN，瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室，因擁有世界上唯一的反質子源（除電荷和自旋之外各個方面均與質子相似的粒子）而自豪。該實驗室的反質子探測器是一個182米長的環形設備，其粒子與該實驗室中規模更大、更有名氣的“兄弟”設備大型強子對撞機（LHC）一樣，均來源于同一個加速器。反質子以接近光的速度進入該設備，探測器將粒子速度減緩下來，提供一系列反質子流，各項實驗然后輪流地“啜”一小口。所有這些都必須非常小心，因為在遇到物質之后，這些反粒子只需要一丁點能量就會消失。

　　數十年來，科學家一直在致力于確定反質子和反氫原子，使它們形成足夠長的時間從而進行研究。過去幾年，相關研究迅速發展。實驗專家現在可以控制足夠多的反粒子開始認真地探索反物質——物質的罕見鏡像效應，并進行越來越精確的對其基本特征和內部結構的測量。帶領ALPHA實驗的Jeffrey Hangst說，至少在原理上，他的團隊現在已經可以用反氫原子做任何用氫原子可以做的事情。“對我來說，這個階段是我25年來一直攻克的目標。”他說。

　　CERN實驗項目的數十名物理學家知道，他們依然面臨嚴峻的挑戰：反物質研究極為艱巨，各團隊之間的競爭非常激烈，且發現任何新事物的幾率似乎很低。但CERN的反物質研究人員依然被打開宇宙新窗口的激動之情所鼓舞。

　　物質事實

　　反物質物理學的根源可被追溯到1928年，當時英國物理學家Paul Dirac寫了一個方程式，描述了一個電子以接近光速運行。Dirac意識到，他的方程式應該有一正一負兩個解。隨后，他把這個數學模型解釋為表明存在一種反電子，現在被稱為反質子，并在理論上總結出每種粒子都存在反物質對等物。

　　實驗物理學家Carl Anderson在1932年確認了反質子的存在，當時他發現一個類似電子的粒子，不過當其經過磁場時軌跡卻向相反的方向彎曲。物理學家很快認識到，反質子通常以碰撞方式產生：撞擊的粒子擁有足夠的能量，其中的一些能量能夠轉變為物質—反物質對。

　　到20世紀50年代，研究人員開始探索這種能量—粒子轉變，以形成反質子。反物質獵人需要一種能夠大規模減緩或冷卻這種粒子的方式。CERN在1982年首次致力于用低能反質子環（LEAR）進行減速和儲存反物質的嘗試。1995年，在LEAR計劃關停的前一年，一個團隊利用來自該設備的反質子生成了首個反氫原子。

　　研究競賽

　　CERN的反物質研究最終將會有來自反質子和離子研究設施的競爭，例如位于德國達姆施塔特國際加速中心的一個價值11.6億美元的國際加速器組合將在2025年左右竣工。但目前，CERN壟斷了生產速度足夠慢的可被用于研究的反質子。

　　今天，已經有5個實驗在反物質設施上運行（另外，GBAR則在建設中）。每個實驗都有其獨特的反質子研究方式，盡管其中一些開展的是獨特的實驗，但它們經常會爭相測量同樣的特征，并相互獨立地印證對方研究的價值。

　　這些實驗需要共享粒子流，這意味著在每兩周內，5個實驗項目中僅有3個能夠獲得離子流時間，這些實驗每隔8小時輪流轉換。一周的協調會議會確保每項實驗了解其鄰居的磁場何時運行，從而不會破壞極為敏感的測量。盡管地理位置上如此接近，但這些團隊通常會通過閱讀期刊上的一篇論文得知其鄰居的突破性進展。“這非常好，它建立在競爭的基礎上，可以激勵、鼓舞人。”Hangst說。

　　首批反質子原子是利用移動中的反質子產生的，持續時間為1秒鐘的約400億分之一。2002年，ATRAP和ALPHA的先驅ATHENA的兩項實驗成為首個將反質子速度降到足夠低以產生大量反氫原子的設施，每項實驗均積累了數千個這樣的原子。而一項重要的進展距離那時接近10年，相關團隊掌握了幾分鐘內連續不斷地捕捉反原子的方法。他們隨后測量了其諸如電荷、質量的特征，并利用激光探索了能量水平。近期，ALPHA報告了其最新進展：對反氫原子精細結構的最精確測量，即對反質子和正電子之間的互動導致的微弱內部能量轉移。

　　CERN的所有實驗都在探索一系列反物質特征，其中任何一項實驗都會展現出與物質的差異。反物質研究專家、ASACUSA（用激光研究飛行中的反原子以避免陷阱破壞性力量的影響）實驗負責人Masaki Hori說，對它們的所有研究目標是繼續縮小其中的不確定性。

　　重要影響

　　如果這些實驗的目的是發現物質和反物質之間的任何差異，那么它將是一項革命性的發現。它意味著違反了一種叫作電荷、奇偶和時間逆轉（CPT）對稱原理。根據該原理，充滿反物質的、時間向后退的鏡面成像宇宙將會擁有與地球相同的物理學法則。CPT的對稱性是諸如相對論以及量子場理論的支柱。通過某種方式打破它將意味著打破物理學原理。實際上，只有外源性的理論預測，反物質實驗會發現一些事物。

　　為此，LHC的物理學家傾向于“用淡然的態度”審視隔壁的反物質研究人員。在反物質領域已經工作了30年的Doser說：“他們認為這種研究很有好玩、有趣，但不大可能產生新發現。”

　　然而，LHC在揭開反物質之謎的進展方面表現得更好一點。追溯到20世紀60年代的實驗表明，一些物理過程如在反k介子衰變為更熟悉粒子的過程中，會在形成物質方面存在細微的偏差。LHC實驗一直在搜索更多類似的偏差，大量尚待發現的粒子在早期宇宙中的行為或可解釋依然存在的巨大的物質—反物質不平衡。這些都是猜測類似粒子存在的原因：它們由超級對稱性——將粒子物理學領域內一些令人困惑的松散的結果聯系在一起的一個理論——所預測。

　　不過，在過去8年的探索中，并未出現任何類似粒子。現在，超級對稱性的最簡單、最精妙的版本—— 一開始就很吸引人的一個想法已經幾乎被排除。“今天，LHC在尋找的是假想的粒子，它們或許存在，或許并不存在，其擁有的理論指導極小。在某種程度上，這正是我們所處的同樣情形。”Doser說。

　　上下顛倒

　　像此前一樣，測量自由落體運動中的反氫原子的一個問題是讓它足夠冷卻。即便是最細微的溫度波動也會遮蔽一個向下掉落的原子的信號。只有中性的粒子如反氫原子可以使用，因為即便是遠距離的電磁場源也可以讓帶電粒子接觸比引力更大的力。

　　明年，Hangst的團隊計劃利用已經驗證的技術——其ALPHA實驗的垂直版本獲得關于反物質是會朝上走還是向下落的明確答案。

　　今年年底，GBAR將會成為首個受益于ELENA（一個耗費2600萬美元、位于反質子探測器內部的周長30米的環形設備，其設計目的是進一步放緩來自該設備的反質子的速度）的實驗。最終，ELENA的速度將會降低1/7，并以更清晰的粒子流到達。因為它們在早期會被更加有效地冷卻，實驗將能捕獲到更多的該類粒子。

　　Hangst表示，現在該團隊已經可以操縱和驗證反物質，越來越多的物理學家在對這項工作產生興趣。如果沒有技術上的僵局讓實驗停滯不前，Doser認為，到21世紀20年代末，物理學家將會在應對反物質方面變得足夠靈敏，可以完成一系列原子物理學領域的壯舉，包括建造反物質原子鐘。“現在，我看到很多思想在冒出，這是這一領域正在迅速向前發展的一個標志。”他說，“我希望CERN永遠不會把我踢出局，因為我已經有了關于未來30年的研究計劃。”