前沿科技之首次测量反原子内部结构

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转自旋所需的微波辐射频率，可直接测量反氢原子两种超精细状态之间的能量差异。

上部，截面示意图是反氢激光物理实验仪器的反物质陷阱，显示的是超导八极磁铁（octupole magnet）和镜像磁铁以及其他功能组件。下部是陷阱内的磁场强度地图。实验目标是测量反氢原子的超精细结构，就在陷阱中心，这里的磁场强度最小。

日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的反氢激光物理实验仪器（ALPHA ：Antihydrogen Laser Physics Apparatus）合作取得了另一项革命性突破，就是在反物质前沿，有史以来第一次用光谱测量反氢原子的内部状态。他们的研究结果发表在即将出版的一期《自然》杂志上，题为《共振量子转移的受陷反氢原子》（Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms），3月7日在网上发表。
! x6 Z( S' m6 }0 P% c+ T3 O7 M4 E普通的氢原子是宇宙中最丰富的，也是最简单的，它是如此简单，事实上，一些最根本的物理常数的发现，就是因为测量微小的能量转移，这种能量转移来自氢质子核与单轨道电子之间的磁场和电场相互作用。
另一方面，反氢原子是罕见的，它是单轨道正电子（反电子）围绕单一反质子旋转，难以制作，更难以保存。事实上，反氢原子以前从未被捕捉到，直到2010年，反氢激光物理实验仪器才成功地捕捉到。
  k; k5 S* p2 q- a在最近的一系列试验中，反氢激光物理实验仪器研究人员创造和捕获到数百个反氢原子，保存在磁瓶内，然后研究它们的内部状态，这需要用微波辐射照射它们，翻转正电子的自旋，使原子瞬间弹出磁陷阱（magnetic trap），并使它们在陷阱壁上湮灭。
当然，电子和正电子都并不是真的自旋。“自旋”这一名称是指一些粒子的内部量子状态，只有两个值，就是向上和向下。在氢原子中，电子和质子自旋态的相互作用，会撕裂基态，就是原子的最低能量，这被称为超精细分裂（hyperfine splitting）；在天文学中，超精细分裂是21厘米氢射线特征径迹（signature 21-centimeter emission line of hydrogen）的来源。
+ D4 q3 j6 b6 n反氢原子应具有同样的属性，翻转自旋所需的微波辐射频率，可直接测量反氢原子两种超精细状态之间的能量差异。
3 n: b3 y9 J4 K4 Q1 K3 z+ x“要测量反氢原子的超精细结构，我们就要调整微波频率，”乔纳森•吴泰尔（Jonathan Wurtele）说，他是加速器和聚变研究部（AFRD：Accelerator and Fusion Research Division）的成员，属于美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），也叫伯克利实验室，他也是加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）物理学教授，是反氢激光物理实验仪器合作组织长期成员。截至目前，测量是不精确的，因为能量差异的大小取决于磁场的大小，就是指反氢激光物理实验仪器中反氢原子阱中的磁场，但是，吴泰尔说，“我们的最新实验仪器正在制造中，而这些初步实验表明，我们'很快就会有技术，进行精确的测量。”

如何捕捉反原子

伯克利实验室的科学家们起到了关键作用，他们设计和模拟了反氢激光物理实验仪器的最低磁场陷阱（Minimum Magnetic Field Trap），这是一种磁瓶，创造它需要超导磁体，磁体的磁场可以捕捉和保存反氢原子。尽管是电中性的，但是，分离反原子中带负电荷的反质子和带正电的正电子，还有它们的自旋，就会使它们有一个磁矩。因此，只要它们的运动不是太快 ，就很容易被陷阱的磁场捕捉。
' I& v  o. x5 q: e( ~" I# I9 C研究反物质的一个好处是，很容易研究单个原子，普通的氢就不是这样的情况。乔尔•法建安（Joel Fajans）是反氢激光物理实验仪器的创始成员，也是加速器和聚变研究部的成员，还是加州大学伯克利分校的物理学教授，他解释说，如果想要用类似的陷阱捕获普通氢原子，“这些陷阱的真空管中总是残留着氢，这样，怎么才能分开刻意捕捉的氢与背景中的氢？”
但是，法建安说：“捕获反氢原子不能靠碰运气；它就是不会自然出现。”就像所有形式的反物质一样，反氢原子不能与正常物质共同存在，因为物质和反物质会相互湮灭，爆发出一阵能量，只要它们一接触就会这样。
反氢原子实验的缺点包括，在插入实验探针时，不能干扰陷阱中精美平衡的磁场。在过去几个月中，反氢激光物理实验仪器研究人员已经能够改进实验，把微波辐射引入陷阱的内部。在他们的实验中，他们使用了两种不同的方法收集数据，一种方法被称为消失法（disappearance method），另一种称为出现法（appearance method）。
“消失法”依靠建立平均数量的反原子，这些反原子在一次操作中被捕捉，需要突然切断陷阱内的超导磁铁电源，统计反原子数量，因为它们会湮灭在实验中的普通物质壁上，时间只有3万分子一秒，就是磁铁断电的时间。在这些试验中，微波开启时采用所谓的共振频率，根据计算，这种频率可以翻转正电子的自旋；在其他试验中，微波开启，但不在共振频率；还有一些试验，微波完全不开启。
比较结果表明，共振频率测试中，反原子能够存活的，远远少于其他两种情况，这就证实，这确实是正确的频率，可以翻转它们的自旋，并弹出原子。
“出现法”测试更直接，反原子捕捉在陷阱中可长达三分钟，研究人员计算的每个湮灭，都是因为微波翻转自旋，而反原子逃出陷阱。
“一个问题是，有时，反氢原子湮灭可以模仿宇宙射线，”法建安说。“协作小组中，博士后西蒙娜•斯特拉卡（Simone Straka）研究我们的计数算法，这会牺牲一些性能，以检测到所有的湮灭，它看起来应像一次完美的反氢原子湮灭，否则就不被计入，这就提高了10倍的精度，使我们知道，我们并没有被宇宙射线所迷惑。然后，我们会开启微波，翻转自旋，继续观察湮灭。”
7 M/ D; ~; F# ]5 C# M仍然存在较大的不确定性。理想的情况下，受影响的反原子处于陷阱正中心，那里磁场最小。但是，在离开最低处的每一个方向，磁场都会增加，而磁铁的电流还不完全清楚。磁场强度影响共振频率，因此，研究人员必须找到一些方法，在每个反原子翻转的地方，精准测量磁场强度。
其他方法包括测量反氢原子光谱的能量变化，这更微妙，和更难以察觉，但不会受磁场影响。 法建安和吴泰尔也期待改进反氢激光物理实验仪器，使被困的反原子在探测时，可以不用微波，而用激光束，法建安说，这“使我们能够测量反氢原子的能级，我们会有效地看到反氢原子发光是什么颜色。”激光器也可以操纵单个原子，而且具有特殊的方式，比如可以冷却它们，使它们变得几乎静止，这就可以更加精确地测量它们的性能。
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物质和反物质实际上一样吗？

“我们有充分的理由相信，氢原子和反氢原子是相同的，只是一个是由物质组成，另一个是由反物质组成。”法建安说。“事实上，CPT（charge conjugation  parity, time reversal）实验坚持认为它们是相同的。但是，如果他们不相同的话，会怎么样？”
CPT指的是电荷共轭（C：charge conjugation），宇称（P：parity）和时间反转（T：time reversal），这是事物的一种对称状态，其中的物理定律是相同的，在这里的世界，电荷特征翻转，左右颠倒，时间向后逆转。

超精细能级：图中对比磁场中氢原子和反氢原子基态的相对超精细能级，来源：欧洲核子物理研究中心

曾分别观察到违反电荷共轭和宇称的现象，但是，考虑到时间方向可逆，三者合计的对称性似乎就可以维持。CPT镜像世界远远不是普通现实的完美反射，但是，也许更像游乐园大厅里的一面镜子，因为反氢原子光谱不同于普通氢原子光谱。
4 e3 ?" i' K9 u: R如果反氢原子光谱不同于普通的氢，那影响范围就会从微乎其微的地方扩大到整个宇宙。“如果我们确实发现差异，”吴泰尔说，“人们会感到震惊，但我们永远不会发现，除非我们进行测量。”
5 K  {' R- h0 b% _, f, u在宇宙中，为什么有这么多的普通物质，而只有这么少的反物质，长期以来，这个谜团一直在考验使理论家，同样也在考验实验人员。至少可以想象，部分答案就在于反氢原子光谱。如果是这样，那反氢原子物理实验一起合作研究就很对路，正在找到它。

熟悉的路人

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