欧洲核子研究中心首次用激光操纵反物质，登上Nature封面

来源：机器之心

一个世纪前，实验室发现了反物质粒子的存在，拉开了物理学家们对反物质进行实验研究的序幕；40年前，普通原子的激光操纵和冷却彻底改变了现代原子物理学，促成了数项获得诺贝尔奖的实验。

今天，欧洲核子研究中心（CERN）ALPHA合作的一组物理学家宣布，他们可以运用激光极大地减慢反物质的速度，使其温度接近绝对零度。这项突破性的成就产生了有史以来温度最低的反物质并实现了对它的操纵，未来可以帮助科学家们进一步了解反物质。

他们的研究成果于3月31日以「激光冷却反氢原子」（Laser cooling of antihydrogen atoms）为题发表在《自然》（Nature）杂志上，并登上了杂志封面。

在粒子物理学中，成功的量子力必然要考虑反物质的存在。反物质是正常物质的对立状态，当二者结合时，就会发生殒灭。反物质粒子质量与正常物质粒子相同，却带有相反的电荷。

反氢原子仅由反质子（带负电荷的质子）和反电子（带正电荷的电子）两个反物质粒子组成，是最简单的稳定的反物质原子。因此，对反氢原子的测量是用来测试物质与反物质之间的对称性的一种理想的方式，但是反粒子物质很难控制，实验有着巨大的障碍。

研究人员研发了一种激光器，该激光器经过仔细调谐，发出波长仅使反氢原子向内移动的光子，被捕获的反氢原子通过吸收光子得以减速。由于多普勒效应，激光束的光向较短的波长偏移，偏移后的波长正好与原子需要吸收的光子能量匹配，使原子从基态提升到激发态。然后，原子再通过沿随机方向发射另一个光子而自发地返回基态，离开激光器。

图示：多普勒效应冷却反氢原子。（来源：Nature）

冷却效率仍有待提高

「被困住的反氢原子的运动速度与最高时速的兰博基尼一样快，每小时超过200英里。」在吸收了几十个光子之后，样品中的一部分原子速度会减慢到每小时50公里以下。

速度的降低对应于原子的冷却，冷却的反氢原子的测量精度几乎是未冷却的三倍，这将使研究人员能够以比以前更高的精度对氢和反氢的原子跃迁进行比较。

加拿大TRIUMF粒子加速器团队的粒子物理学家Makoto Fujiwara说：「在日常生活中，快速移动的事物比慢速移动的事物更难看到。同样的事情在量子物理学中也会发生。你可以观察的时间越久，测量就越精确。」

但是，他们的方法存在一定的局限性，很难产生足够强度的激光来有效地冷却反氢原子，每个原子都需要大量时间吸收数十个光子才能冷却到足够低的温度。

Fujiwara解释道：「这有点像我们在原子上射出一个小球，并且球很小，所以在碰撞中减小的速度很小，但是我们重复了很多次，最终原子的运动速度得到了减慢。」

未来，该团队计划在实验中增加激光功率，或者使用连续的而不是脉冲的激光束，以加快冷却过程。

图示：Makoto Fujiwara与CERN的ALPHA实验装置的合影。（来源：gizmodo.com）

解开宇宙之谜

通过冷却反物质，研究人员将能够执行各种精密测试，以进一步研究反物质的特征，包括可能揭示宇宙基本对称性的实验。这些测试可以提供有关宇宙为何主要由物质而不是大爆炸模型所预测的等量的物质、反物质构成的线索。

不列颠哥伦比亚大学（UBC）的研究人员Takamasa Momose指出：「通过这种技术，我们可以解决长期存在的谜团，例如『反物质如何对重力作出反应？反物质可以帮助我们理解物理学中的对称性吗？』这些答案可能从根本上改变我们对宇宙的理解。」

Fujiwara表示：「对于我们来说，这确实是一个令人兴奋的里程碑，但是更令人兴奋的是，这使我们能够在不久的将来进行以前无法想象的测量和实验。」这些可能性中的大多数与寻找物质和反物质行为的细微差别所必须进行的极其精确的测量有关。

他们计划进行的一项旨在测量重力对反物质影响的项目就需要冷却的反氢原子。「我们要做的是给反氢原子一个光子，看它如何掉下来，是否与正常物质完全相同。如果原子未冷却，它们移动得很快，那么当你释放时，就会四散到各处。我们就看不到重力起到什么作用。但是，如果你让下落变得很慢，它们对重力的反应就会更加明显。」

Momose和Fujiwara对进一步探索反物质抱有一系列希望。他们认为，用激光冷却反氢原子将成为反物质研究中的一种变革性工具，其最令人兴奋的应用可能尚未实现。至少，这将是未来使用反氢原子进行精确测量的起点。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03289-6

参考内容：

https://doi.org/10.1038/d41586-021-00786-6

https://phys.org/news/2021-03-canadian-built-laser-chills-antimatter-absolute.html

https://gizmodo.com/physicists-laser-cool-antimatter-to-near-absolute-zero-1846590018/amp

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