科學家首次測量反物質氫原子光譜

歐洲核子研究組織（CERN）的 ALPHA 項目研究人員首次測量了反原子的躍遷。雖然測量結果與普通氫原子的行為沒有不同，但也許有朝一日，更精確的實驗會發現兩者的細微差別，揭示一種新的「物質-反物質不對稱性」（matter-antimatter asymmetry）。

撰文 Edwin Cartlidge

翻譯 彭曉晗

該實驗測量的是反氫原子（由一個正電子和一個反質子組成）的1s-2s躍遷（從基態躍遷到激發態）。這一過程對是否破壞 CPT 對稱性（電荷-宇稱-時間反演對稱性）敏感。如果物理系統的行為在電荷、宇稱和時間反演的共同作用下保持不變，我們就說該系統具有 CPT 對稱性。雖然 CPT 對稱性具有堅實的理論支持，但實驗物理學家仍熱衷於對它進行檢驗。原因之一在於破壞 CPT 對稱性也許能夠解釋為什麼今天的宇宙幾乎完全由物質組成——即使在大爆炸期間理應產生等量的物質和反物質。

和 CERN 的其他幾個反物質實驗項目一樣，ALPHA 從反質子減速器（Antiproton Decelerator）中取得反質子，然後使它們減速、冷卻，再與來自 Na-22放射源的正電子（已經過冷卻）結合，產生反氫原子。由於反氫原子具有微小的磁偶極矩，它們被陷俘在由幾個磁場疊加產生的特殊的勢阱中。

ALPHA 研究團隊部分成員合影

逃脫磁阱

為了進行光譜測量，Hangst 與其同事將一束激光射入磁阱，並使其在兩面鏡子之間來回反射。經過調諧，激光的頻率最終大約是普通氫原子1s-2s躍遷頻率的一半。這是因為該躍遷涉及兩個光子的吸收，並且其頻率由於磁阱的存在而受到影響。發生躍遷後，部分反氫原子逃脫磁阱——由於吸收了第三個光子導致電離或是發生自旋翻轉。通過調節激光頻率甚至關掉激光，研究人員在不同情況下將上述過程重複了11次並進行測量。

他們發現當激光被調諧到1s-2s躍遷頻率的一半時，平均不到60％的反原子逃脫磁阱，與預期一致。而在其他頻率或關閉激光時，沒有反原子（在統計誤差範圍內）逃脫磁阱。這表示反氫原子在預期的頻率處發生躍遷，因此和普通氫原子行為一致。

雖然這一結果對 CPT 對稱性沒有任何威脅，但該實驗顯示了反原子研究領域取得的巨大技術進步：產生、冷卻並捕獲反氫原子。特別地，Hangst 的團隊最近在兩個領域取得了進展：同時捕獲大量反原子，在過去一年中，數量從一個提高到14個；在磁阱周圍建造諧振腔，用於提高激光強度，使其能與少量反原子發生相互作用。

開幕禮炮

ALPHA 的成果獲得了 CERN 的其他反物質研究團隊的讚譽。ASACUSA 實驗發言人，東京大學的 Ryugo Hayano 認為該研究是個「非常重要的里程碑」。而 AEgIS 發言人 Michael Doser 則表示它是「精確測量反氫原子光譜的開幕禮炮」。

然而，所有人都一致認為，要將實驗精度提高大約五個數量級，與普通氫原子的光譜測量進行比較並不容易。 Doser 表示這將帶來許多挑戰，包括如何在毫開爾文的溫度下製備反氫原子，以便更多反氫原子可以被磁阱捕獲；如何減少甚至消除磁場對反原子能級的影響。但他補充說，ALPHA 在解決技術問題方面非常高效。

Hangst 表示，在反質子減速器於明年春天再次開啟後，他們下一步將利用更多不同波長的激光進行反氫原子光譜測量。

喜悅與遺憾

ATRAP 實驗的發言人，哈佛大學的 Gerald Gabrielse 說：「我期待著有一天，ALPHA 或 ATRAP 最終得到完整且高精度的1s-2s共振光譜。」 他補充說，實際上他的團隊比 ATHENA（ALPHA 的前身）早十年就開始研究反氫原子光譜。在喜悅的同時，他也遺憾 ATRAP 沒有第一個得到結果。

不過，根據美因茨大學的 Walter Oelert 所說，提高光譜測量精度的競爭仍很激烈。雖然 ALPHA 贏在起跑線上，但無法預測哪個團隊將最先達到10-15的目標。

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/19/antiatoms-yield-their-first-optical-spectrum

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