前沿科技之首次測量反原子內部結構

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轉自旋所需的微波輻射頻率，可直接測量反氫原子兩種超精細狀態之間的能量差異。

上部，截面示意圖是反氫激光物理實驗儀器的反物質陷阱，顯示的是超導八極磁鐵（octupole magnet）和鏡像磁鐵以及其他功能組件。下部是陷阱內的磁場強度地圖。實驗目標是測量反氫原子的超精細結構，就在陷阱中心，這里的磁場強度最小。

日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）的反氫激光物理實驗儀器（ALPHA ：Antihydrogen Laser Physics Apparatus）合作取得了另一項革命性突破，就是在反物質前沿，有史以來第一次用光譜測量反氫原子的內部狀態。他們的研究結果發表在即將出版的一期《自然》雜志上，題為《共振量子轉移的受陷反氫原子》（Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms），3月7日在網上發表。
普通的氫原子是宇宙中最豐富的，也是最簡單的，它是如此簡單，事實上，一些最根本的物理常數的發現，就是因為測量微小的能量轉移，這種能量轉移來自氫質子核與單軌道電子之間的磁場和電場相互作用。
另一方面，反氫原子是罕見的，它是單軌道正電子（反電子）圍繞單一反質子旋轉，難以制作，更難以保存。事實上，反氫原子以前從未被捕捉到，直到2010年，反氫激光物理實驗儀器才成功地捕捉到。
在最近的一系列試驗中，反氫激光物理實驗儀器研究人員創造和捕獲到數百個反氫原子，保存在磁瓶內，然后研究它們的內部狀態，這需要用微波輻射照射它們，翻轉正電子的自旋，使原子瞬間彈出磁陷阱（magnetic trap），并使它們在陷阱壁上湮滅。
* Y1 o* K- a. C! {1 D當然，電子和正電子都并不是真的自旋。“自旋”這一名稱是指一些粒子的內部量子狀態，只有兩個值，就是向上和向下。在氫原子中，電子和質子自旋態的相互作用，會撕裂基態，就是原子的最低能量，這被稱為超精細分裂（hyperfine splitting）；在天文學中，超精細分裂是21厘米氫射線特征徑跡（signature 21-centimeter emission line of hydrogen）的來源。
7 x! q9 b* S  E9 Z1 M! I反氫原子應具有同樣的屬性，翻轉自旋所需的微波輻射頻率，可直接測量反氫原子兩種超精細狀態之間的能量差異。
( p5 u- d% K. H2 n“要測量反氫原子的超精細結構，我們就要調整微波頻率，”喬納森•吳泰爾（Jonathan Wurtele）說，他是加速器和聚變研究部（AFRD：Accelerator and Fusion Research Division）的成員，屬于美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），也叫伯克利實驗室，他也是加州大學伯克利分校（University of California at Berkeley）物理學教授，是反氫激光物理實驗儀器合作組織長期成員。截至目前，測量是不精確的，因為能量差異的大小取決于磁場的大小，就是指反氫激光物理實驗儀器中反氫原子阱中的磁場，但是，吳泰爾說，“我們的最新實驗儀器正在制造中，而這些初步實驗表明，我們'很快就會有技術，進行精確的測量。”

如何捕捉反原子

伯克利實驗室的科學家們起到了關鍵作用，他們設計和模擬了反氫激光物理實驗儀器的最低磁場陷阱（Minimum Magnetic Field Trap），這是一種磁瓶，創造它需要超導磁體，磁體的磁場可以捕捉和保存反氫原子。盡管是電中性的，但是，分離反原子中帶負電荷的反質子和帶正電的正電子，還有它們的自旋，就會使它們有一個磁矩。因此，只要它們的運動不是太快 ，就很容易被陷阱的磁場捕捉。
8 M2 u* A0 C% y( g研究反物質的一個好處是，很容易研究單個原子，普通的氫就不是這樣的情況。喬爾•法建安（Joel Fajans）是反氫激光物理實驗儀器的創始成員，也是加速器和聚變研究部的成員，還是加州大學伯克利分校的物理學教授，他解釋說，如果想要用類似的陷阱捕獲普通氫原子，“這些陷阱的真空管中總是殘留著氫，這樣，怎么才能分開刻意捕捉的氫與背景中的氫？”
) S' Z/ c- a/ V/ s$ `但是，法建安說：“捕獲反氫原子不能靠碰運氣；它就是不會自然出現。”就像所有形式的反物質一樣，反氫原子不能與正常物質共同存在，因為物質和反物質會相互湮滅，爆發出一陣能量，只要它們一接觸就會這樣。
- B( Z7 }8 ^* |% [- L+ g反氫原子實驗的缺點包括，在插入實驗探針時，不能干擾陷阱中精美平衡的磁場。在過去幾個月中，反氫激光物理實驗儀器研究人員已經能夠改進實驗，把微波輻射引入陷阱的內部。在他們的實驗中，他們使用了兩種不同的方法收集數據，一種方法被稱為消失法（disappearance method），另一種稱為出現法（appearance method）。
3 ~. L3 g& ^' P. h“消失法”依靠建立平均數量的反原子，這些反原子在一次操作中被捕捉，需要突然切斷陷阱內的超導磁鐵電源，統計反原子數量，因為它們會湮滅在實驗中的普通物質壁上，時間只有3萬分子一秒，就是磁鐵斷電的時間。在這些試驗中，微波開啟時采用所謂的共振頻率，根據計算，這種頻率可以翻轉正電子的自旋；在其他試驗中，微波開啟，但不在共振頻率；還有一些試驗，微波完全不開啟。
$ V* h) h! z1 x9 g7 Y4 S比較結果表明，共振頻率測試中，反原子能夠存活的，遠遠少于其他兩種情況，這就證實，這確實是正確的頻率，可以翻轉它們的自旋，并彈出原子。
5 u  Z+ p$ S7 K* @6 ^4 Q“出現法”測試更直接，反原子捕捉在陷阱中可長達三分鐘，研究人員計算的每個湮滅，都是因為微波翻轉自旋，而反原子逃出陷阱。
“一個問題是，有時，反氫原子湮滅可以模仿宇宙射線，”法建安說。“協作小組中，博士后西蒙娜•斯特拉卡（Simone Straka）研究我們的計數算法，這會犧牲一些性能，以檢測到所有的湮滅，它看起來應像一次完美的反氫原子湮滅，否則就不被計入，這就提高了10倍的精度，使我們知道，我們并沒有被宇宙射線所迷惑。然后，我們會開啟微波，翻轉自旋，繼續觀察湮滅。”
! z( j2 Q5 V- D$ |仍然存在較大的不確定性。理想的情況下，受影響的反原子處于陷阱正中心，那里磁場最小。但是，在離開最低處的每一個方向，磁場都會增加，而磁鐵的電流還不完全清楚。磁場強度影響共振頻率，因此，研究人員必須找到一些方法，在每個反原子翻轉的地方，精準測量磁場強度。
其他方法包括測量反氫原子光譜的能量變化，這更微妙，和更難以察覺，但不會受磁場影響。 法建安和吳泰爾也期待改進反氫激光物理實驗儀器，使被困的反原子在探測時，可以不用微波，而用激光束，法建安說，這“使我們能夠測量反氫原子的能級，我們會有效地看到反氫原子發光是什么顏色。”激光器也可以操縱單個原子，而且具有特殊的方式，比如可以冷卻它們，使它們變得幾乎靜止，這就可以更加精確地測量它們的性能。
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物質和反物質實際上一樣嗎？

“我們有充分的理由相信，氫原子和反氫原子是相同的，只是一個是由物質組成，另一個是由反物質組成。”法建安說。“事實上，CPT（charge conjugation  parity, time reversal）實驗堅持認為它們是相同的。但是，如果他們不相同的話，會怎么樣？”
CPT指的是電荷共軛（C：charge conjugation），宇稱（P：parity）和時間反轉（T：time reversal），這是事物的一種對稱狀態，其中的物理定律是相同的，在這里的世界，電荷特征翻轉，左右顛倒，時間向后逆轉。
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超精細能級：圖中對比磁場中氫原子和反氫原子基態的相對超精細能級，來源：歐洲核子物理研究中心

曾分別觀察到違反電荷共軛和宇稱的現象，但是，考慮到時間方向可逆，三者合計的對稱性似乎就可以維持。CPT鏡像世界遠遠不是普通現實的完美反射，但是，也許更像游樂園大廳里的一面鏡子，因為反氫原子光譜不同于普通氫原子光譜。
如果反氫原子光譜不同于普通的氫，那影響范圍就會從微乎其微的地方擴大到整個宇宙。“如果我們確實發現差異，”吳泰爾說，“人們會感到震驚，但我們永遠不會發現，除非我們進行測量。”
在宇宙中，為什么有這么多的普通物質，而只有這么少的反物質，長期以來，這個謎團一直在考驗使理論家，同樣也在考驗實驗人員。至少可以想象，部分答案就在于反氫原子光譜。如果是這樣，那反氫原子物理實驗一起合作研究就很對路，正在找到它。

熟悉的路人

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