在歐洲核子研究中心（CERN）一個高聳的機庫中，六個相互競爭的實驗正在競相瞭解宇宙中最難以捉摸的物質之一的性質。它們彼此相距僅幾米。在某些地方，它們實際上是疊在一起的：一個的金屬束像購物中心的自動扶梯一樣與另一個縱橫交錯，其數噸重的混凝土支架在頭頂上不祥地懸掛著。
“我們 постоянно 被彼此提醒，”物理學家邁克爾·多澤說，他領導著 AEGIS 實驗，該實驗正在爭奪第一個發現反物質（物質的稀有映象）如何響應引力的實驗。
多澤和他的競爭對手別無選擇，只能緊密合作。位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室 CERN 擁有世界上唯一的反質子來源——這些粒子似乎與質子完全相同，只是它們的電荷和自旋相反。該實驗室的反質子減速器是一個環，周長 182 米，它與實驗室更大、更著名的兄弟機構大型強子對撞機 (LHC) 使用相同的加速器供能。反質子進入機器時，速度接近光速。顧名思義，減速器減慢粒子的速度，提供一股反質子流，實驗必須輪流從中汲取。所有這些都必須小心進行；一旦遇到物質，反粒子就會在一陣能量中消失。
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幾十年來，科學家們一直致力於鎖定反質子以及它們可以用來構建的反氫原子足夠長的時間以進行研究。過去幾年見證了快速進展：實驗人員現在可以控制足夠多的反粒子，開始認真探測反物質，並對其基本屬性和內部結構進行越來越精確的測量。領導 ALPHA 實驗的傑弗裡·漢斯特說，至少原則上，他的團隊現在可以對反氫做其他團隊對氫所做的任何事情。“對我來說，這段時期是我為之奮鬥了 25 年的目標，”他說。
這些實驗承載著很多期望：即使物質和反物質的屬性之間存在微小的差異，也可能解釋為什麼萬物存在。據物理學家所知，物質和反物質應該在早期宇宙中以相等的量產生，然後相互湮滅成虛無。但這並沒有發生，這種基本不平衡的起源仍然是物理學中最大的謎團之一。
歐洲核子研究中心的努力不太可能很快破解這個難題。到目前為止，反物質已被證明與物質極其相似，許多物理學家認為它將保持這種狀態，因為任何差異都會動搖現代物理學的基礎。但是，這六個實驗是歐洲核子研究中心 30 多年前開始的一系列研究中的最新成果，它們正在引起關注，因為大型強子對撞機在其尋找可能解釋反物質悖論的粒子的過程中繼續一無所獲。此外，這些團隊在操縱反物質方面的快速進展為他們贏得了對該設施反質子工廠的重大升級——一個尖端的減速器，將於今年年底開始執行，並最終使實驗能夠使用多達 100 倍的粒子（參見“減速器”）。
在歐洲核子研究中心實驗中工作的數十名物理學家知道他們面臨著嚴峻的挑戰。反物質難以處理，團隊之間的競爭激烈，發現新事物的機率似乎很低。但歐洲核子研究中心的反物質管理者受到開啟宇宙新視窗的刺激。“這些都是如此精湛的實驗，無論你得到什麼答案，你都可以為做這件事感到自豪，”漢斯特說。無法保證反物質會產生重大發現。但是，“如果你能拿到一些，”他說，“不去看它將是完全應受譴責的。”
事實
反物質物理學的根源可以追溯到 1928 年，當時英國物理學家保羅·狄拉克寫了一個描述電子以接近光速運動的方程1。狄拉克意識到他的方程必須既有正解又有負解。他後來將這種數學上的怪癖解釋為暗示反電子（現在稱為正電子）的存在，並推測每種粒子都應該存在反物質等價物。
實驗學家卡爾·安德森在 1932 年證實了正電子的存在，當時他發現了一種看起來像電子的粒子，只是當它穿過磁場時，它的軌跡向相反的方向彎曲。物理學家很快意識到，正電子通常在碰撞中產生：用足夠的能量撞擊粒子，其中一些能量可以轉化為物質-反物質對。
到 20 世紀 50 年代，研究人員已經開始利用這種能量到粒子的轉換來產生反質子。但這花了數十年才找到一種製造足夠多的反質子來捕獲和研究的方法。一個動機是誘人的想法，即反質子和正電子可以配對以製造反氫，然後可以將其與經過充分研究的氫原子進行比較（參見“與反物質搏鬥”）。
製造正電子非常簡單。這些粒子在某些型別的放射性衰變中產生，並且可以很容易地用電場和磁場捕獲。但是質量更大的反質子是另一回事。反質子可以透過將質子撞擊到緻密金屬中來製造，但它們從這種碰撞中出現時移動得太快，無法被電磁阱捕獲。
反物質獵人需要一種方法來大量減慢或冷卻粒子。歐洲核子研究中心首次專門嘗試減速和儲存反物質始於 1982 年，即低能量反質子環 (LEAR)。1995 年，也就是 LEAR 計劃關閉的前一年，一個團隊使用該設施的反質子製造了第一個反氫原子2。
LEAR 的替代品反質子減速器於 2000 年上線，進行了三個實驗。與其前身類似，它馴服反粒子，首先使用磁鐵聚焦它們，然後使用強電場減速它們。電子束也與反質子交換熱量，冷卻但不會接觸它們，因為粒子型別都帶負電荷，因此相互排斥。整個過程將反質子減速到光速的十分之一。這仍然太快而無法使用，因此六個實驗中的每一個都使用技術來進一步減慢和捕獲反質子。
在這個過程中有很多損耗。每次“發射”到實驗的 3000 萬個反質子都始於將 12 萬億個質子撞擊到一個目標。例如，當漢斯特的 ALPHA 實驗將反質子減速到足以與正電子配對併產生反氫時，只剩下 30 個粒子，其餘的都逃逸、湮滅或因太快或狀況不佳而無法研究而被丟棄。用如此少量的反原子進行實驗真是一件痛苦的事情，漢斯特說：“當你不得不處理這些東西時，你會對所有其他物理學產生全新的態度。”
爭奪獎項
歐洲核子研究中心的反物質研究最終將面臨來自反質子和離子研究設施的競爭，這是一個價值 10 億歐元（11.6 億美元）的國際加速器綜合體，位於德國達姆施塔特，將於 2025 年左右建成。但就目前而言，歐洲核子研究中心壟斷了生產足夠慢以供研究的反質子。
今天，反物質設施正在執行五個實驗（其中一個 GBAR 仍在建設中）。每個實驗都有自己處理反質子的方式，儘管有些實驗是獨特的，但它們經常競爭測量相同的屬性並獨立驗證彼此的值（參見“實驗”）。
圖片來源：自然 來源：CERN
這些實驗共享一條光束，這意味著在任何兩週的時間內，只有五個實驗中的三個獲得光束時間，每個實驗輪流進行 8 小時的輪班。每週的協調會議確保每個實驗都知道其鄰居的磁鐵何時執行，以免破壞敏感的測量。但是，儘管距離很近，團隊通常還是透過閱讀論文來了解鄰居取得的突破。“這是建立在競爭基礎上的，這很好。這會激勵你，”漢斯特說。
圖片來源：自然 來源：CERN
今天，六個實驗中只有一個——BASE——直接研究來自反質子減速器的反質子。BASE 將粒子儲存在彭寧阱中，彭寧阱是一個由電場（垂直固定粒子）和磁場（使粒子繞圈軌道執行）組成的複雜陣列。該團隊可以將反質子儲存一年以上，並已使用反質子在阱中的軌道來確定粒子的荷質比，精度創下紀錄3。該小組還使用一種複雜的方法來揭示反質子的磁矩4——類似於其內在磁性。該測量涉及在兩個獨立的阱之間快速切換單個粒子，並檢測由振盪微波場的微小變化引起的變化。掌握這項技術已成為合作負責人斯特凡·烏爾默（日本和光市 RIKEN 的物理學家）的熱情。“我的整個心都在這裡，”他說。
在歐洲核子研究中心被其他實驗研究的反氫帶來了自身的挑戰。由於它具有中性電荷，因此不受電場影響，幾乎無法控制。實驗必須利用反原子的弱磁性，用“磁瓶”約束粒子。為了使瓶子工作，內部的磁場必須在很小的距離內發生巨大變化，在僅 1 毫米的距離內變化 1 特斯拉——相當於汽車起重廢料場磁鐵的強度。即便如此，反氫原子的溫度也必須低於 0.5 開爾文，否則它們會逃逸。
第一個反氫原子，是使用移動中的反質子建立的，持續了約 400 億分之一秒。2002 年，兩個實驗 ATRAP 和 ALPHA 的前身 ATHENA 成為第一個減慢反質子速度足以製造大量反氫的實驗，每個實驗都積累了數千個原子5。重大突破發生在將近十年後，當時團隊學會了將反原子捕獲數分鐘6。此後，他們測量了電荷和質量等屬性，並使用雷射探測能級7。在第 66 頁，ALPHA 報告了其最新進展：迄今為止對反氫超精細結構的最精確測量，這是由其反質子和正電子之間的相互作用引起的微小內部能量偏移8。
歐洲核子研究中心的實驗共同探索了一系列反物質特性，其中任何一種都可能顯示出與物質的差異。反物質資深人士正木堀說，所有這些實驗的目標都是不斷縮小不確定性。他領導 ASACUSA 實驗，該實驗使用雷射在飛行中研究反原子，使其免受陷阱的破壞性力。去年，該團隊精確測量了反質子質量與電子質量的比率，使用了奇異的氦原子，其中反質子取代了電子9。與迄今為止的其他測量結果一樣，它顯示物質和反物質之間沒有差異。但每個結果都更嚴格地檢驗了物質和反物質是否真的是精確的映象。
有什麼區別？
如果實驗要檢測到物質和反物質之間的任何差異，那將是一個根本性的發現。這將意味著違反一個稱為電荷、宇稱和時間反演 (CPT) 對稱性的原則。根據該原則，一個充滿反物質並且時間倒流的映象宇宙將具有與我們自己的宇宙相同的物理定律。CPT 對稱性是相對論和量子場論等理論的支柱。打破它在某種程度上會打破物理學。事實上，只有奇異的理論預測反物質實驗會發現任何東西。
因此，大型強子對撞機的物理學家傾向於“帶著困惑的關注”來看待隔壁的反物質研究人員，在反物質領域工作了 30 年的多澤說。“他們認為這些東西很有趣，但不太可能帶來新的東西，”他說。歐洲核子研究中心理論家烏爾斯·維德曼似乎證實了這一點。他說，這些實驗操縱反物質的能力“令人難以置信”，並且對理論的此類檢驗至關重要，但是“如果你問是否存在堅實的物理動機，在某種精度下會發現一些新的東西，我認為一個公正的說法是，‘沒有’”。
儘管如此，大型強子對撞機在解決反物質之謎方面也好不到哪裡去。早在 20 世紀 60 年代的實驗就表明，某些物理過程，例如奇異的卡介子衰變為更熟悉的粒子，具有微小的偏向於產生物質的傾向。大型強子對撞機的實驗一直在尋找更多這樣的偏差，甚至是一系列尚未發現的粒子，這些粒子在早期宇宙中的行為可能解釋了仍然存在的巨大的物質-反物質不平衡。有充分的理由懷疑這種粒子的存在：超對稱預測了它們，超對稱是一種旨在解決粒子物理學中一些令人不安的懸而未決的問題的理論。但在八年的搜尋中，沒有發現任何此類粒子。現在，最簡單、最優雅的超對稱版本——最初使這個想法具有吸引力的版本——已在很大程度上被排除在外。“今天，大型強子對撞機正在尋找假設粒子，這些粒子可能存在也可能不存在，理論指導很少。在某種程度上，我們所處的情況也是如此，”多澤說。
一些團隊現在正投入到下一個重大挑戰中：競賽測量反物質在重力下的加速度。物理學家普遍預計反物質會像物質一樣下落。但一些邊緣理論預測它具有“負質量”——它會被物質排斥，而不是被物質吸引。具有這種特性的反物質可能解釋暗能量和暗物質的影響，它們的身份仍然未知。但大多數主流理論家認為，這樣的宇宙本質上是不穩定的。
向上即向下
像往常一樣，自由落體中測量反氫將是一個使其足夠冷卻的問題。即使是最微小的熱波動也會掩蓋原子下落的訊號。並且只能使用反氫等中性粒子，因為即使是遙遠的電磁場源也可能使帶電粒子受到大於重力的力的作用。
明年，漢斯特的小組計劃使用成熟的技術——ALPHA 實驗的垂直版本——來明確確定反物質是向上還是向下落。“顯然我認為我們會首先成功，否則我就不會參與其中，”他說。但另外兩個實驗——多澤的 AEGIS 和反物質設施的最新成員 GBAR——緊隨其後。兩者都使用雷射冷卻技術來提高精度，這將使它們能夠比 ALPHA 目前能夠捕捉到的更細微的物質和反物質加速度之間的差異。AEGIS 將測量水平反氫束的彎曲，而 GBAR 將使其反原子自由落體 20 釐米。兩者的目標都是將反原子的溫度降至絕對零度以上幾千分之一度，從而實現靈敏度高達 1/100 的重力加速度測量，並計劃進一步提高。
今年晚些時候，GBAR 將成為第一個受益於 ELENA 的實驗，ELENA 是一個新的 2500 萬瑞士法郎（2600 萬美元）、周長 30 米的環，位於反質子減速器內部，旨在進一步減慢來自機器的反質子速度。最終，ELENA 將幾乎同時向所有實驗提供粒子。反質子將慢七倍，並以更清晰的光束到達。由於它們在早期階段會更有效地冷卻，因此實驗應該能夠捕獲更多的粒子。
漢斯特說，現在團隊可以操縱和測試反物質，越來越多的物理學家開始對這項工作感興趣。他們甚至提出了實驗和檢查值的想法。這些小組也在向外看，尋找其技術可能幫助其他研究領域的方法。例如，GBAR 團隊正在研究一種行動式陷阱，用於將反質子運送到歐洲核子研究中心的一個名為 ISOLDE 的實驗中，在那裡它們可以用來繪製不穩定的放射性原子中的中子。
多澤認為，假設技術僵局不會阻礙進展，到 2020 年代末，物理學家將足夠擅長處理反物質，能夠複製一系列原子物理學壯舉，包括構建反物質原子鐘。“我現在看到很多想法湧現出來，這是一個領域正在快速發展的跡象，”他說。“我希望歐洲核子研究中心永遠不會把我踢出去，因為我對未來 30 年有計劃。”
本文經許可轉載，並於首次釋出於 2017 年 8 月 2 日。