藝術(shù)想象圖：被隔離起來的反氫原子。在“陷阱”中游蕩了一段時間之后，反氫原子會被釋放出來，用激光進(jìn)行轟擊，產(chǎn)生能夠被附近探測器追蹤的信號。
新浪科技訊 北京時間1月12日消息，據(jù)國外媒體報道，物質(zhì)與反物質(zhì)之間的極端不平衡是宇宙中最令人困惑的謎題之一。它們都是在大爆炸期間產(chǎn)生，但如今占統(tǒng)治地位的卻是普通物質(zhì)，其中緣由我們不得而知。要解決這一謎題，最顯而易見的方法便是觀察反物質(zhì)本身。如果科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的行為有某種不同，或許就能找到解釋這種極端不平衡的線索。
為此，一個研究團(tuán)隊決定對氫原子和反氫原子是否具有相同的光譜——吸收和釋放相同波長的光——進(jìn)行測試。他們首次對一個反氫原子進(jìn)行了激光光譜分析，但獲得的結(jié)果卻與常規(guī)的氫原子驚人的相似。
捕捉反物質(zhì)
反物質(zhì)具有與普通物質(zhì)相反的電荷。普通的氫原子由一個質(zhì)子（正電荷）和一個小得多的電子（負(fù)電荷）組成，而反氫原子由一個反質(zhì)子（負(fù)電荷）和一個反電子（又稱正電子，帶正電）組成。
當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞時，它們會湮滅，只留下高能質(zhì)子，這也使科學(xué)家很難在實(shí)驗(yàn)室里研究反物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室中的空氣、人和實(shí)驗(yàn)儀器都由普通物質(zhì)組成，只要有幾個游蕩的原子，就會使你的反原子轉(zhuǎn)瞬間就消失得無影無蹤。考慮到制造反物質(zhì)的成本極其昂貴，這樣的情況肯定不能讓人滿意。于是，研究者想出了一個巧妙的方法：將反物質(zhì)隔離起來，使其無法碰撞到其他任何東西。利用電場，研究人員將反物質(zhì)隔離在一個被稱為“ALPHA-2”的儀器中，時間大約為10分鐘。
ALPHA是“反氫激光物理儀器”（Antihydrogen Laser Physics Apparatus）的縮寫，通過該儀器，研究者終于有了一窺反粒子性質(zhì)的機(jī)會。研究過程中，反物質(zhì)還被冷凍到了0.5開爾文。這樣的冷卻是必要的，可以防止單個反原子運(yùn)動速度過快而逃出“陷阱”。
激光！
隔離反原子之后，研究人員開始利用激光對反原子進(jìn)行探測。當(dāng)光擊中一個原子時，如果光的波長合適，光的能量就會被原子的電子吸收。利用這些額外能量，電子就能躍遷到更高的能級軌道。之后，電子會以光的形式釋放出能量，回到原來的軌道。
研究人員希望對電子釋放的這些光進(jìn)行光譜分析。不同的元素會釋放出不同波長的光，但任意兩個氫原子都應(yīng)該產(chǎn)生相同波長的光。而且，根據(jù)已知的物理學(xué)，反氫原子也應(yīng)該產(chǎn)生同樣的光譜。
研究人員進(jìn)行了3組11次試驗(yàn)。前兩組中設(shè)置了不同的激光，第三組作為對照，沒有激光。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置可以排除一些突然出現(xiàn)或可能影響結(jié)果的系統(tǒng)問題。這些實(shí)驗(yàn)還能幫助鑒別出背景中的宇宙射線。當(dāng)宇宙射線與粒子在大氣層上方碰撞時，會產(chǎn)生能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)儀器的次級粒子，而這些粒子可能會被誤認(rèn)為是隔離的反氫原子發(fā)出的光。
結(jié)果和結(jié)論
實(shí)驗(yàn)令人興奮，但結(jié)果卻并不激動人心。到目前為止，來自反氫原子的光譜與氫原子的完全吻合，證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型的部分基本理論。如果實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了不同的光譜，那物理學(xué)界可能就得掀起一番波瀾了。
如果能推翻物質(zhì)和反物質(zhì)粒子間的基礎(chǔ)對稱（CPT對稱），其意義就不僅是告訴我們標(biāo)準(zhǔn)模型是錯的那么簡單。在數(shù)學(xué)上，反物質(zhì)就相當(dāng)于逆時間流動的普通物質(zhì)粒子。這聽起來有些科幻小說的意味，但現(xiàn)實(shí)卻平淡得多；對一個氫原子而言，是不是“逆時間流動”其實(shí)并沒有太大不同。不過，如果有這樣的顛覆性發(fā)現(xiàn)，或許就預(yù)示著逆轉(zhuǎn)時間的可能性，而這是物理學(xué)家十分感興趣的問題。
這項研究的另一個動機(jī)是認(rèn)識宇宙中物質(zhì)與暗物質(zhì)之間的極端不平衡。如果暗物質(zhì)能提供不一樣的光譜，那就暗示著暗物質(zhì)與普通物質(zhì)存在不同的物理特性，而這或許能為該問題的解答提供線索。
盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有出現(xiàn)上述情況，但研究并不會止步于此。這只是此類研究中的第一次，從許多方面來說，這也可能是一個新時代的開始。“長期以來，這一直被視為低能反物質(zhì)物理學(xué)追求的成就，”研究者在論文中寫道，“它標(biāo)志著一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槔梅丛拥墓庾V進(jìn)行認(rèn)真的計量和精確的CPT對比。”
研究人員采用的實(shí)驗(yàn)方法，包括將更多反原子隔離起來的新方法，都將為未來更深入理解反物質(zhì)提供幫助，也具有更高的確定性，無論是否有新的東西等待發(fā)現(xiàn)。“目前的結(jié)果，以及其他近期研究的結(jié)果，表明對反物質(zhì)基礎(chǔ)對稱性的驗(yàn)證方法正在迅速成熟，”研究者在論文中寫道。（任天）
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