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反物质,在路上

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欧洲核子研究组织(CERN)是位于瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室。2026年3月,在一个阳光明媚的日子,一辆卡车从CERN园区内众多建筑中的一栋缓缓驶出,随后在园区内行驶了7.5千米。

在CERN的园区里,运输不同寻常的实验设备并不罕见,但这次卡车运输却引起了全球媒体的关注。这是因为,这辆卡车所运输的东西,有望帮助回答一个再基本不过的问题——关于我们为何存在的问题。

卡车上安装了一套名为BASE-STEP的精巧装置,一套可运输的超高真空彭宁阱,其中封存了92个反质子。如今,BASE合作组的研究人员在《自然》杂志上发表了这项开创性实验的研究结果和实践经验。其中一个重要成果便是:研究人员首次实现了将反质子在可移动运输容器中储存超过一个月。

寻找差异

反质子是质子的反物质对应粒子。每一种物质粒子都有与之对应的反粒子。二者几乎完全相同,主要区别在于其电荷和磁性性质相反。这类反物质粒子既可以在自然界中产生——例如当高能宇宙线撞击地球大气中的气体原子时——也可以在人造粒子加速器中产生。

在高能环境中,粒子和反粒子可以成对产生;而当二者相遇时,又会彼此湮灭。按照标准模型,在宇宙诞生之初,物质和反物质应该大量成对产生并不断湮灭。如果它们全部湮灭,那么后来就不会有恒星、行星以及地球上的生命。因此,一定存在某种机制,使早期宇宙最终产生了今天观测到的物质与反物质的不对称。物质与反物质之间是否存在某种极其微小的差异,正是物理学家正在探索的一种可能性。

将质子与反质子进行比较,是寻找物质与反物质之间差异最有希望的方法之一。

将反质子带离CERN

所有高能加速器都会大量产生反质子,但目前全世界只有一个地方,能够把反质子的速度降低到足够低,使其可以被约束在粒子阱中,并开展极高精度的测量。这个地方就是CERN的反物质工厂。

物理学家已经利用反物质工厂中的装置,对反质子和质子的基本性质开展了高精度光谱测量。他们最关注的主要是这它们的质量和内禀磁矩。如果能通过比较这些数值,并发现质子与反质子之间存在微小但具有统计意义的差异,那么都将可能为理解宇宙中观测到的物质—反物质不对称的起源提供线索。

CERN的研究人员已经能够把质子和反质子测量并比较到小数点后11位,但仍然没有发现任何差异。因此,研究人员希望进一步提升测量精度,从而能够把质子和反质子的性质精确比较到至少小数点后12位、13位,甚至14位。

然而,CERN拥有大量粒子加速器,其中使用着极其强大的磁体,这些设备会对周围环境产生影响。磁场的干扰使得这种精度在加速器中实现无望,只能在CERN之外的实验室中实现。因此,他们正在德国杜塞尔多夫的海因里希·海涅大学建设一座专门的低噪声实验室。

按照目前计划,海因里希·海涅大学的这座实验室将在2027年建成。届时,研究人员需要把CERN产生的反质子一路运输到新实验室,目标是一次运输至少1万个反质子。

实现30多年前的设想

1993年,物理学家Ching-Hua Tseng和Gerald Gabrielse曾报道,他们利用一套便携式彭宁阱,将电子沿公路运送了5000千米。彭宁阱是一种利用电场和磁场,在三维空间中俘获带电粒子的装置。他们当时就提出,同样的方法原则上也可以用于运输反质子。

但问题是,与电子不同,反质子一旦与普通物质发生碰撞,就会发生湮灭,因此操控它们极其困难。从反质子的产生一直到最终运输,在每一个环节中都可能损失一部分反质子。而如果想让剩下的反质子存活足够长的时间,就必须维持一种几乎可以与星际空间相比的极高真空环境。

为此,BASE合作组开发了BASE-STEP, 这是一套高精度、可移动的彭宁阱。这套装置的一个关键部件,是一个专门用于接收并密封反质子的入口阀门。实验开始时,反质子可以通过这个入口被注入阱内;当粒子进入后,阀门随即关闭,将反质子封存在装置内部。 这是一种新的设计,它能够尽可能减少泄漏,并维持阱内的高真空环境。

进入装置的粒子首先穿过一层很薄的箔片,由此进一步减速;随后,其中只有速度最慢的一小部分反质子会被磁场成功俘获。 反质子注入阱中之后,研究人员还会将其中混杂的其他离子过滤掉。

随后,为了降低功耗,研究人员会将磁场强度逐步降低,并将整套BASE-STEP装置通过吊车运出反物质工厂,最终装到一辆卡车上。卡车在CERN园区内行驶了半小时,路程约为7.5千米。 运输过程中,BASE合作组定期对装置中的反质子进行监测。

运输结束后,团队成功将装置从卡车上卸下。整个过程中,储存的反质子一个也没有损失:92个反质子全部安然无恙地返回了反物质工厂。这次实验验证了1993年提出的设想:反质子可以被长时间俘获,并真正通过公路运输。这一成果标志着反质子精密测量进入一个新的阶段。

下一站,CERN之外

对于BASE合作组来说,BASE-STEP为更高精度地比较物质与反物质、寻找二者之间可能存在的细微差异打开了道路。但这或许只是一个开始——一旦反物质能够走出反物质工厂,被运送到其他实验室,就可能催生出过去无法实现的研究方式,甚至开启新的反物质实验。

让反物质真正“上路”用了几十年时间。如今,下一步已经很明确:把它们送得更远,并最终让反物质能够被运送到世界各地的实验室。

#参考来源:

https://www.hhu.de/en/news-article/antiproton-storage-and-transport-records-achieved

https://www.nature.com/articles/d41586-026-02647-6

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11019-z

#图片来源:

封面及首图素材:CERN

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