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揭开反物质之谜的竞赛 |
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6个国际团队争相回答宇宙最深处的问题 |
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欧洲核子研究中心一个实验室拥有唯一的反质子—质子的反物质配对物。 来源。 图片来源：Maximilien Brice/CERN
在欧洲核子研究中心（CERN）一个天花板极高的库房内，6个竞争性的实验正在争先恐后地赛跑，以了解宇宙中最难琢磨的一种物质的特征。这些实验相隔仅数米，从所处位置看，它们几乎堆叠在一起，每个设备与另一个设备泛出的金属光泽像购物中心的电梯一样纵横交错，其数吨重的混凝土支架有些可怕地悬在头定。
“我们经常会提醒对方。”物理学家、带领AEGIS（一项旨在成为首个发现反物质如何对引力做出回应的实验）项目的Michael Doser说。
Doser除了让自己感到舒适外没有别的选择。CERN，瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室，因拥有世界上唯一的反质子源（除电荷和自旋之外各个方面均与质子相似的粒子）而自豪。该实验室的反质子探测器是一个182米长的环形设备，其粒子与该实验室中规模更大、更有名气的“兄弟”设备大型强子对撞机（LHC）一样，均来源于同一个加速器。反质子以接近光的速度进入该设备，探测器将粒子速度减缓下来，提供一系列反质子流，各项实验然后轮流地“啜”一小口。所有这些都必须非常小心，因为在遇到物质之后，这些反粒子只需要一丁点能量就会消失。
数十年来，明升体育app家一直在致力于确定反质子和反氢原子，使它们形成足够长的时间从而进行研究。过去几年，相关研究迅速发展。实验专家现在可以控制足够多的反粒子开始认真地探索反物质——物质的罕见镜像效应，并进行越来越精确的对其基本特征和内部结构的测量。带领ALPHA实验的Jeffrey Hangst说，至少在原理上，他的团队现在已经可以用反氢原子做任何用氢原子可以做的事情。“对我来说，这个阶段是我25年来一直攻克的目标。”他说。
CERN实验项目的数十名物理学家知道，他们依然面临严峻的挑战：反物质研究极为艰巨，各团队之间的竞争非常激烈，且发现任何新事物的几率似乎很低。但CERN的反物质研究人员依然被打开宇宙新窗口的激动之情所鼓舞。
物质事实
反物质物理学的根源可被追溯到1928年，当时英国物理学家Paul Dirac写了一个方程式，描述了一个电子以接近光速运行。Dirac意识到，他的方程式应该有一正一负两个解。随后，他把这个数学模型解释为表明存在一种反电子，现在被称为反质子，并在理论上总结出每种粒子都存在反物质对等物。
实验物理学家Carl Anderson在1932年确认了反质子的存在，当时他发现一个类似电子的粒子，不过当其经过磁场时轨迹却向相反的方向弯曲。物理学家很快认识到，反质子通常以碰撞方式产生：撞击的粒子拥有足够的能量，其中的一些能量能够转变为物质—反物质对。
到20世纪50年代，研究人员开始探索这种能量—粒子转变，以形成反质子。反物质猎人需要一种能够大规模减缓或冷却这种粒子的方式。CERN在1982年首次致力于用低能反质子环（LEAR）进行减速和储存反物质的尝试。1995年，在LEAR计划关停的前一年，一个团队利用来自该设备的反质子生成了首个反氢原子。
研究竞赛
CERN的反物质研究最终将会有来自反质子和离子研究设施的竞争，例如位于德国达姆施塔特国际加速中心的一个价值11.6亿美元的国际加速器组合将在2025年左右竣工。但目前，CERN垄断了生产速度足够慢的可被用于研究的反质子。
今天，已经有5个实验在反物质设施上运行（另外，GBAR则在建设中）。每个实验都有其独特的反质子研究方式，尽管其中一些开展的是独特的实验，但它们经常会争相测量同样的特征，并相互独立地印证对方研究的价值。
这些实验需要共享粒子流，这意味着在每两周内，5个实验项目中仅有3个能够获得离子流时间，这些实验每隔8小时轮流转换。一周的协调会议会确保每项实验了解其邻居的磁场何时运行，从而不会破坏极为敏感的测量。尽管地理位置上如此接近，但这些团队通常会通过阅读期刊上的一篇论文得知其邻居的突破性进展。“这非常好，它建立在竞争的基础上，可以激励、鼓舞人。”Hangst说。
首批反质子原子是利用移动中的反质子产生的，持续时间为1秒钟的约400亿分之一。2002年，ATRAP和ALPHA的先驱ATHENA的两项实验成为首个将反质子速度降到足够低以产生大量反氢原子的设施，每项实验均积累了数千个这样的原子。而一项重要的进展距离那时接近10年，相关团队掌握了几分钟内连续不断地捕捉反原子的方法。他们随后测量了其诸如电荷、质量的特征，并利用激光探索了能量水平。近期，ALPHA手机版了其最新进展：对反氢原子精细结构的最精确测量，即对反质子和正电子之间的互动导致的微弱内部能量转移。
CERN的所有实验都在探索一系列反物质特征，其中任何一项实验都会展现出与物质的差异。反物质研究专家、ASACUSA（用激光研究飞行中的反原子以避免陷阱破坏性力量的影响）实验负责人Masaki Hori说，对它们的所有研究目标是继续缩小其中的不确定性。
重要影响
如果这些实验的目的是发现物质和反物质之间的任何差异，那么它将是一项革命性的发现。它意味着违反了一种叫作电荷、奇偶和时间逆转（CPT）对称原理。根据该原理，充满反物质的、时间向后退的镜面成像宇宙将会拥有与地球相同的物理学法则。CPT的对称性是诸如相对论以及量子场理论的支柱。通过某种方式打破它将意味着打破物理学原理。实际上，只有外源性的理论预测，反物质实验会发现一些事物。
为此，LHC的物理学家倾向于“用淡然的态度”审视隔壁的反物质研究人员。在反物质领域已经工作了30年的Doser说：“他们认为这种研究很有好玩、有趣，但不大可能产生新发现。”
然而，LHC在揭开反物质之谜的进展方面表现得更好一点。追溯到20世纪60年代的实验表明，一些物理过程如在反k介子衰变为更熟悉粒子的过程中，会在形成物质方面存在细微的偏差。LHC实验一直在搜索更多类似的偏差，大量尚待发现的粒子在早期宇宙中的行为或可解释依然存在的巨大的物质—反物质不平衡。这些都是猜测类似粒子存在的原因：它们由超级对称性——将粒子物理学领域内一些令人困惑的松散的结果联系在一起的一个理论——所预测。
不过，在过去8年的探索中，并未出现任何类似粒子。现在，超级对称性的最简单、最精妙的版本—— 一开始就很吸引人的一个想法已经几乎被排除。“今天，LHC在寻找的是假想的粒子，它们或许存在，或许并不存在，其拥有的理论指导极小。在某种程度上，这正是我们所处的同样情形。”Doser说。
上下颠倒
像此前一样，测量自由落体运动中的反氢原子的一个问题是让它足够冷却。即便是最细微的温度波动也会遮蔽一个向下掉落的原子的信号。只有中性的粒子如反氢原子可以使用，因为即便是远距离的电磁场源也可以让带电粒子接触比引力更大的力。
明年，Hangst的团队计划利用已经验证的技术——其ALPHA实验的垂直版本获得关于反物质是会朝上走还是向下落的明确答案。
今年年底，GBAR将会成为首个受益于ELENA（一个耗费2600万美元、位于反质子探测器内部的周长30米的环形设备，其设计目的是进一步放缓来自该设备的反质子的速度）的实验。最终，ELENA的速度将会降低1/7，并以更清晰的粒子流到达。因为它们在早期会被更加有效地冷却，实验将能捕获到更多的该类粒子。
Hangst表示，现在该团队已经可以操纵和验证反物质，越来越多的物理学家在对这项工作产生兴趣。如果没有技术上的僵局让实验停滞不前，Doser认为，到21世纪20年代末，物理学家将会在应对反物质方面变得足够灵敏，可以完成一系列原子物理学领域的壮举，包括建造反物质原子钟。“现在，我看到很多思想在冒出，这是这一领域正在迅速向前发展的一个标志。”他说，“我希望CERN永远不会把我踢出局，因为我已经有了关于未来30年的研究计划。”（晋楠编译）
