歐洲核子研究中心的科學家首次成功使用激光冷卻反物質（來源：Chukman So）

人們(men) 相信反物質在宇宙中扮演著重要的角色。反物質是物質的對應物，各方麵都相同——都有質子、中子和電子——但電荷是相反的。根據當前人類對物理定律的最佳理解，今天的宇宙應該是由同等數量的物質和反物質一起構成的。

但是據我們(men) 目前所看到的，並不是。反物質難以捉摸，現代物理學的一個(ge) 大難題，就是經過幾十年探索後，宇宙中似乎幾乎完全沒有反物質的存在，那我們(men) 該如何解釋一個(ge) 物質和反物質等量組成的“對稱”宇宙呢？

為(wei) 了解開這個(ge) 宇宙之謎，物理學家們(men) 正在努力研究反物質的各種特征。他們(men) 對物質和反物質之間的微小差異尤其感興(xing) 趣，這些差異可以解釋所觀察到的不對稱性，進而驗證現有的物理定律。但研究反物質極其困難。產(chan) 生反物質需要巨大的能量，而且它也很容易消失。它一旦與(yu) 我們(men) 周圍的物質接觸，就會(hui) 自我湮滅。

這個(ge) 電磁阱演示器展現其所產(chan) 生的力是如何留住空間中的帶電粒子的（來源：Niels Madsen）

斯旺西大學物理學教授Niels Madsen和歐洲核子研究中心（CERN）的同行研究出了一種製造、捕捉和激光冷卻反物質的方法，使反物質存在的時間長到足夠研究人員做出一套更精確的全新測量法。這些實驗很可能成為(wei) 解決(jue) 宇宙中反物質失蹤之謎的重要一步。

製造反物質

正如物質是由原子組成的一樣，反物質是由反原子組成的。最容易製造的反原子是反氫。1995年歐洲核子研究中心首次創造出了反氫原子，並於(yu) 2012年首次測量成功。反氫原子是由一個(ge) 反電子（被稱為(wei) 正電子）圍繞一個(ge) 反質子核旋轉組成的（在物質中的對應物是氫），擁有宇宙中最簡單的原子結構。

但是製造反氫原子並不容易。解決(jue) 這個(ge) 問題的經典高能物理方法是使用粒子對撞機。就像歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，將巨大的動能轉化為(wei) 可供我們(men) 研究的大量亞(ya) 原子碎片。粒子加速器可以用來製造反質子。但要製造一個(ge) 可用的反質子就需要100萬(wan) 個(ge) 質子和至少2600萬(wan) 倍最終“存儲(chu) ”在反質子中的能量。所以研究人員製造的每個(ge) 反質子都異常珍貴。

液態氦可以幫助我們(men) 冷卻電磁阱中的反氫原子，但激光可以進一步降低溫度（來源：Niels Madsen）

一旦我們(men) 創造了足夠多的反質子，就需要反電子（正電子）來構建反原子。令人高興(xing) 的是，可以很容易地從(cong) 放射源中收集到正電子。收集到核心原料後，研究人員隻需要把它們(men) 組合起來即可。

研究人員通過迫使反質子和反電子在電磁阱中接觸來實現這一步。至關(guan) 重要的是，這些過程必須在真空中進行，因為(wei) 如果反粒子與(yu) 儀(yi) 器的任何部分接觸，它們(men) 一接觸就會(hui) 湮滅，完全消失。隻有在所有這些步驟之後才能形成可用的反氫原子，它們(men) 被磁場組合固定在真空中。

測量反氫原子

在這個(ge) 狀態下研究人員可以測量反氫原子。要測量的是在反氫原子的兩(liang) 個(ge) 能態之間的一個(ge) 關(guan) 鍵原子躍遷。這種躍遷特別適於(yu) 精確測量。目前，對這個(ge) 氫原子的對應物的躍遷，已經可以驚人地測到小數點後15位了。
研究人員把反氫原子的測量精確到小數點後12位，比最精確的氫測量差了1000倍，但仍是目前最好的反氫測量。但因為(wei) 反原子動能的緣故，測量中有個(ge) 關(guan) 鍵限製就是電磁阱中反原子的運動。通過進一步減少這種運動，測量就能更精確。研究人員正是通過激光爆破反原子實驗首次實現了這一點。

激光冷卻

激光中的光是由光子組成的，光子本身具有動量。當一個(ge) 原子吸收光子時，原子的速度略有變化。通過遵循這一基本原理，可以利用激光束中包含的動量來減少被捕獲反原子的動能，並將它們(men) 冷卻到接近絕對零度。
這要求研究人員隻在反原子向激光移動時，才用光子撞擊它們(men) ，因為(wei) 它實際上會(hui) 抵消反原子的一些速度，有點兒(er) 像你必須用力才能讓蕩秋千的孩子擺蕩速度慢下來。通過使用這種定向激光冷卻，研究人員成功地將儲(chu) 存的反氫原子溫度降低了10倍，這就有可能將未來的測量精度提高到原來的4倍。

研究人員還沒有完成足夠的測量，無法發布關(guan) 於(yu) 反氫原子的更精確的新數據，但很快就會(hui) 做到。此外，激光冷卻技術使研究人員在物質和反物質的許多測量上走上了一條更加精確的道路，也使得離更加精確地測量氫本身又近了一步。

激光冷卻技術為(wei) 測量反氫原子開辟了令人興(xing) 奮的可能性。結合現有技術，使能夠積累相對大量的反氫原子（每天都能製造出成千上萬(wan) 的反原子）。研究人員很快就會(hui) 知道更多關(guan) 於(yu) 反氫原子的本質以及額外的知識，從(cong) 而幫助我們(men) 理解為(wei) 什麽(me) 反物質在宇宙中無處不在，卻又如此難以捉摸。