江苏
根据已知的物理学定律，在大爆炸之后，宇宙中应当产生了等量的物质和反物质。而我们知道，当物质和反物质相遇时，它们会湮灭，以光子的形式释放出能量。这就意味着，理论上，在宇宙最初的时刻，物质和反物质就应该全部湮灭，使宇宙中只剩下能量。
可是，我们今天看到的宇宙几乎完全由物质构成。这就意味着，物质与反物质之间一定存在某种极其微小、尚未被完全揭示的差异。
CPT对称性是自然界最基本的对称性之一，它预言物质与反物质应当是完美的镜像：它们带有相反的电荷，却遵循相同的物理定律。所以，如果在实验中发现CPT对称性发生了轻微的破缺，或许就可以解释为什么今天的宇宙充满了物质。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中，欧洲核子研究中心（CERN）的反氢激光物理装置（ALPHA）合作组开展了一项实验，对氢原子的反物质对应物——反氢原子进行了超精确的测量，结果再次检验了CPT对称性。
在反氢中寻找细微差异
普通氢原子是由一个质子和一个电子组成，而反氢则是由一个反质子和一个正电子组成。无论是在理论上还是在实验上，氢都是被研究得最精确的系统之一。因此，将氢与反氢进行比较，有可能揭示物质与反物质之间极其细微的差别。
在这项测量中，研究人员关注的是一种被称为“超精细分裂”的性质。这是一种很小的能量差异，源于反质子和正电子像两个微小磁体一样相互作用。
在普通氢原子中，这种分裂的大小已经被测得极其精确。所以，如果能在反氢原子中测量同样的性质并进行比较，就有可能检验CPT对称性，帮助解释物质与反物质之间极其细微的差异，
然而，难点在于，研究人员必须产生足够多的反氢原子，让它们“存活”下来，并对它们进行足够精确的控制，才能进行测量。
制造反氢原子
ALPHA实验正是为应对这一挑战而建成的。ALPHA合作组开发了制备反氢原子的技术，他们让反质子与正电子结合，其中反质子来自粒子碰撞，正电子则由放射性衰变产生。随后，这些反原子会被真空中的磁阱束缚住，以免它们撞上普通原子并发生湮灭。
一次典型的反氢制备过程大约持续4分钟，可以产生约100个被束缚的反氢原子。这一制备过程可以重复多次。通过这种方式，研究人员可以在约1小时内，通过连续多个循环积累起大约1500个反氢原子的样本。
在这次实验中，ALPHA合作组通过对大约24000个反氢原子进行实验，他们测得了与氢原子的预期相一致的结果。这意味着，在目前精度下，反氢原子与氢原子的性质仍然一致，没有发现CPT对称性破缺的迹象。
ALPHA合作组在2017年首次测量了反氢原子的超精细分裂性质，而这一次的测量精度提高了100倍。在这样的精度水平下，研究人员的测量结果已经能够对反质子的内部结构产生非常灵敏的响应。这一测量精度正在接近现有理论分析的极限。
下一个目标
研究人员表示，测量精度的提升得益于几方面的显著进展：磁阱场的控制、稳定和表征能力的提升，反原子自旋态操控技术的进步，以及反氢原子积累速率的提高。接下来，研究人员将继续提高测试精度。他们表示，下一个重要里程碑，是能够以目前测量氢原子的同等精度来检验反氢原子。
氢原子和反氢原子是检验量子理论基础、发展和前沿的重要试金石。即便是探测到最微小的差异，也会从根本层面挑战我们目前对物理学的理解。
#参考来源：
https://phys.org/news/2026-05-antihydrogen-mirrors-hydrogen-spectrum-narrowing.html
https://physics.aps.org/articles/v19/79
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10556-x
#图片来源：
封面图 & 首图：Pixabay
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