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向超精細反氫原子光譜研究邁出重要一步

　　據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)1月22日（北京時間）報道，歐洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反質(zhì)子原子光譜和碰撞）實驗首次成功制造出反氫原子束，并在產(chǎn)生反氫原子地方向下2.7米的范圍內(nèi)，即遠離強磁場的區(qū)域，檢測到80個反氫原子。這個結(jié)果意味著朝向精確的超精細反氫原子光譜研究邁出重要一步。該研究結(jié)果刊登在1月21日的《自然?通訊》雜志上。

　　為什么宇宙是由正物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成？當(dāng)前有關(guān)亞原子世界的最優(yōu)理論??粒子物理標準模型也無法給出答案。但科學(xué)家認為，物質(zhì)和反物質(zhì)屬性之間的微小差異可能就是答案所在，而這種差異體現(xiàn)在違反CPT對稱定理上。CPT對稱指把粒子用反粒子替換，右手坐標系換成左手坐標系，以及所有粒子速度反向，物理定律不變。而反氫原子由一個反質(zhì)子和一個正電子構(gòu)成，這樣簡單的結(jié)構(gòu)是測試CPT對稱的最佳模型。

　　迄今，在宇宙中從未觀測到原始的反物質(zhì)，CERN在實驗中通過將反電子（正電子）和由反質(zhì)子減速器產(chǎn)生的低能量反質(zhì)子混合，產(chǎn)生大量反氫原子。氫和反氫原子的光譜預(yù)測是完全相同的，所以在它們之間的任何微小差異會給新的物理學(xué)打開一扇窗口，并可能在解決反物質(zhì)之謎方面有所助力。憑借其單一質(zhì)子只伴隨有一個電子，氫是最簡單存在的原子，在現(xiàn)代物理學(xué)中是最精確研究并極好理解的一種體系。因此，比較氫和反氫原子構(gòu)成是執(zhí)行物質(zhì)/反物質(zhì)對稱性高精度測試的最佳途徑之一。

　　當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇，它們會立刻消減，因此除了創(chuàng)建反氫原子，保持反原子（由反粒子組成的原子）遠離普通物質(zhì)更是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。要做到此點，實驗需利用反氫原子的磁特性（類似于氫氣的），并使用非常強的非均勻磁場誘捕反原子足夠長的時間來研究。然而，強磁場的場梯度會降低（反）原子的光譜性質(zhì)。

　　在ASACUSA實驗中，研究人員開發(fā)出一個創(chuàng)新的粒子陷阱裝置??“卡斯波”陷阱，可利用多個磁場的綜合作用將反質(zhì)子和正電子集合到一起，形成反氫原子。然后這些反氫原子轉(zhuǎn)移到遠離強磁場的區(qū)域，導(dǎo)入真空管狀通道中呈現(xiàn)飛行狀態(tài)，由此測量反氫原子由基態(tài)開始的超精微躍遷。

　　ASACUSA協(xié)作團隊領(lǐng)導(dǎo)者、日本理化學(xué)研究所山崎說：“由于反氫原子沒有電荷，這給將其從陷阱中運送出來造成一大挑戰(zhàn)。這項研究結(jié)果對超精細反氫原子研究非常有前景，特別是光譜特性。在反氫原子中其測量將允許對物質(zhì)/反物質(zhì)對稱性最敏感的測試，我們期待今年夏天將這個裝置重新啟動改進�！盇SACUSA實驗下一步將優(yōu)化反氫原子束的強度和動能，以更好地了解其量子狀態(tài)。

總編輯圈點

　　繪制精確的超精細反氫原子光譜，進而比較氫和反氫原子構(gòu)成，將提供探索宇宙起源和檢驗宇宙大爆炸理論的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，把它比作物理學(xué)的一座“圣杯”并不為過。無論最后結(jié)果如何，都能使人類在微觀和宏觀兩個層次上的認識尺度有跨越式提升。現(xiàn)在，歐核中心向偉大成功又邁了一大步，從十幾年前首次制造出微量反氫原子，到2011年使數(shù)百個反氫原子停留近16分鐘，再到制造出反氫原子束，他們已經(jīng)踩在諾貝爾獎的節(jié)奏上。