宇宙最古老的謎團之一也是最令人費解的謎團之一。在大約 138 億年前的宇宙大爆炸期間，物質和反物質——人們認為它們是相同的，只是後者具有與前者相反的電荷——應該以相等的量被創造出來。當這兩者在今天的宇宙中相互接觸時，它們會在一陣光和更奇異的基本粒子中湮滅。那麼，為什麼我們生活在一個物質主導的宇宙中，而不是一個只充滿了來自時間黎明時期的全吞噬湮滅的短暫回聲的嚎叫虛空中呢？
為了找出答案，粒子物理學家一直在忙於測試物質和反物質的特性，看看它們如何比較。對於物質，這個過程相對簡單。但對於反物質，這變得極其更具挑戰性。鑑於反物質在與物質相互作用時會立即被摧毀，因此很難保持其完整性以進行詳細研究。然而，在過去的十年中，實驗學家在這些研究中取得了巨大進展，他們在真空中隔離了越來越多的反物質，時間越來越長，逐步實現了新的研究突破。
最新的發現來自日內瓦附近 CERN 的 ALPHA 實驗的科學家，他們在《自然》雜誌上報告說，他們能夠在真空中懸浮反物質等效物氫原子——反氫，長達數百小時。這樣做使他們能夠觀察到，在反氫中——它由一個反質子和一個正電子（電子的反粒子）組成——能量水平的躍遷，即所謂的蘭姆位移，與在氫中觀察到的相同。這種對稱性排除了物質-反物質差異的可能答案之一。
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“我們過去已經做過其他測量，但這一次從根本上不同。我們正在研究反氫的光譜，”丹麥奧胡斯大學的研究合著者傑弗裡·漢斯特說。“沒有意外的結果，但我們現在能夠研究反物質中的這些東西對於我們以及我們未來的工作來說確實意義重大。當我們尋找物質和反物質物理學之間的完全一致性時，我們必須檢查所有方面，而這是一個非常重要方面。”
蘭姆位移最初是由美國物理學家威利斯·E·蘭姆，小，於 1947 年觀察到的——這項測量後來為他贏得了諾貝爾獎。電子圍繞原子核執行，但它們可以在軌道之間進行量子躍遷，對應於某些能級，從而導致光的發射或吸收。蘭姆表明，氫的兩個能級 2S 和 2P 表現出可檢測到的變化或位移，這違背了一些理論預測。蘭姆位移的發現歸因於真空中發射和重新吸收的虛粒子的存在，為量子理論的無數重大發展做出了貢獻。“ALPHA 合作論文的結果是，氫和反氫的蘭姆位移似乎是相同的，”CERN 的斯特凡·烏爾默說，他沒有參與最新的研究。
物質和反物質的行為對稱性也受稱為電荷-宇稱-時間（CPT）對稱性的東西支配，它基本上指出，宇宙中所有的物理定律在任何變換下都保持不變（除了少數定義明確的特殊情況）。為了解釋物質-反物質問題，CPT 理論中的某些東西——以及因此在物理學的標準模型中，即除引力外所有已知亞原子粒子和基本力的框架——一定是錯誤的。透過觀察物質和反物質中的蘭姆位移，物理學家希望縮小“某些東西”的範圍。
約翰內斯·古騰堡大學美因茨分校的蘭多夫·波爾指出，這些實驗“限制了新物理學或 CPT 違反的可能影響”，他也未參與這項研究。“你發現的任何差異都是對標準模型的明顯違反，”他說。“因此，如果你測量到氫和反氫之間存在差異，那麼標準模型就死了。我們對物理學的理解是不完整的，我們必須找到新的東西。這種情況尚未發生，但比較物質和反物質是測試標準模型基礎的一種非常簡潔的方式。”
德國馬克斯·普朗克量子光學研究所的托馬斯·烏德姆說，ALPHA 的最新發現“令人興奮”，並指出早期、較低能量的實驗導致反粒子加速到光速——對於試圖誘導它們形成原子的嘗試來說，這是一個麻煩的細節。“你對它們無能為力，除了探測到它們在那裡，”他說。相比之下，ALPHA 實驗中使用的更高能量足以減慢反質子和正電子的速度，從而使粒子形成反氫原子，以便進行更深入的研究。
儘管尚未出現違反已知物理定律的情況，但 ALPHA 實驗的這些結果開啟了物質-反物質對稱性研究的新篇章，有望為宇宙最令人困惑的問題之一提供長期尋求的答案。“有時我會掐自己一下，因為當我開始時，我們根本沒有任何反氫。很多人都說我們永遠無法制造出來，”漢斯特說。“現在我們已經儲存了數千個原子。我們能夠做到這一點真是一場革命。”