鈹離子輔助同步冷卻：首次實(shí)現(xiàn)超15000個(gè)反氫原子穩(wěn)定囚禁

反氫原子是氫原子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物，由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)正電子構(gòu)成。它被視為檢驗(yàn)CPT對(duì)稱(chēng)性的最理想探針。然而，由于反物質(zhì)與普通物質(zhì)接觸時(shí)會(huì)湮滅，其合成、冷卻和長(zhǎng)時(shí)間囚禁一直是粒子物理學(xué)中的巨大挑戰(zhàn)。歐洲核子研究中心 (CERN) 的 ALPHA 實(shí)驗(yàn)合作組近期報(bào)告了一項(xiàng)重大突破，即通過(guò)激光冷卻的鈹離子輔助的正電子同步冷卻技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了超過(guò)15,000反氫原子的同時(shí)和穩(wěn)定囚禁。這項(xiàng)技術(shù)將反氫的積累效率提高了八倍以上，標(biāo)志著反物質(zhì)精密光譜學(xué)和重力研究進(jìn)入了高統(tǒng)計(jì)量時(shí)代，極大地加速了我們探索宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)奧秘的進(jìn)程。

一、 反物質(zhì)研究與CPT對(duì)稱(chēng)性檢驗(yàn)

自二十世紀(jì)初狄拉克預(yù)言反物質(zhì)以來(lái)，物理學(xué)界一直致力于理解物質(zhì)與反物質(zhì)之間的基本關(guān)系。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，物質(zhì)與反物質(zhì)在性質(zhì)上應(yīng)完全對(duì)稱(chēng)，尤其是 CPT 定理要求基本粒子及其反粒子在質(zhì)量、壽命和電荷等屬性上精確相等。

反氫原子，作為最簡(jiǎn)單的反原子系統(tǒng)，為檢驗(yàn)這一基本對(duì)稱(chēng)性提供了絕佳的“實(shí)驗(yàn)室”。如果反氫原子與普通氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)（例如1S-2S躍遷頻率或超精細(xì)結(jié)構(gòu)）存在任何微小的差異，都將是對(duì) CPT 定理的直接違反，可能為解釋宇宙中物質(zhì)為何“戰(zhàn)勝”了反物質(zhì)、從而形成我們所觀察到的世界提供線索。

然而，進(jìn)行精密測(cè)量的前提是必須獲得足夠數(shù)量的、處于低速狀態(tài)且被穩(wěn)定囚禁的反氫原子。

二、 囚禁反氫的挑戰(zhàn)：溫度的限制

反氫原子的合成通常發(fā)生在Penning-Malmberg 陷阱中。該裝置利用強(qiáng)磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)來(lái)同時(shí)約束帶相反電荷的反質(zhì)子和正電子等離子體。反氫原子通過(guò)以下過(guò)程產(chǎn)生：

要將新合成的反氫原子囚禁起來(lái)，原子必須處于極低的動(dòng)能狀態(tài)。ALPHA 實(shí)驗(yàn)使用的是一種基于磁偶極矩的中性原子陷阱（Neutral Atom Trap），它利用非均勻磁場(chǎng)在空間最低磁場(chǎng)點(diǎn)囚禁原子。只有當(dāng)反氫原子的動(dòng)能低于陷阱深度（通常對(duì)應(yīng)于~0.5K的溫度）時(shí)，才能被捕獲。

在傳統(tǒng)的反氫合成方法中，主要的限制因素在于正電子等離子體的溫度。盡管可以通過(guò)蒸發(fā)冷卻等技術(shù)降低反質(zhì)子和正電子的溫度，但正電子等離子體在 Penning 陷阱中很難達(dá)到~10K以下的超低溫度。正電子溫度越高，合成的反氫原子動(dòng)能越高，絕大多數(shù)原子會(huì)在形成后瞬間逃逸，導(dǎo)致囚禁效率極低。

三、鈹離子輔助的同步冷卻技術(shù)：效率的飛躍

為了克服正電子冷卻的瓶頸，ALPHA 合作組引入了一種被稱(chēng)為激光冷卻輔助的同步冷卻（Sympathetic Cooling）的新策略。

1. 同步冷卻原理

同步冷卻是一種間接冷卻方法，通過(guò)讓目標(biāo)粒子（正電子）與另一種更容易冷卻的輔助粒子（鈹離子）進(jìn)行庫(kù)侖碰撞。由于能量交換效率高，輔助粒子會(huì)將目標(biāo)粒子的熱量帶走，達(dá)到熱平衡，從而使目標(biāo)粒子溫度下降。

2.鈹離子的優(yōu)勢(shì)

鈹離子被選作輔助粒子，主要因?yàn)樗梢员患す庵苯永鋮s到毫開(kāi)爾文級(jí)別的極低溫度。

• 激光冷卻：將鈹離子置于陷阱中，使用精確調(diào)諧的激光束照射，使離子吸收和發(fā)射光子，從而降低其動(dòng)量和溫度。
• 熱量虹吸： 將超冷的鈹離子與相對(duì)較熱的正電子等離子體混合。鈹離子與正電子發(fā)生碰撞，將正電子攜帶的動(dòng)能轉(zhuǎn)移給鈹離子，而鈹離子又通過(guò)持續(xù)的激光冷卻將這部分熱量帶走。

通過(guò)這種“熱量虹吸”效應(yīng)，正電子等離子體的溫度被有效且穩(wěn)定地降低到傳統(tǒng)方法難以企及的水平。超冷的正電子與反質(zhì)子混合后，能夠以極高概率形成動(dòng)能低于~0.5K陷阱深度的反氫原子。

四、 成果與展望

這項(xiàng)鈹離子輔助冷卻技術(shù)的實(shí)施，帶來(lái)了反物質(zhì)研究歷史上前所未有的定量飛躍。

1. 創(chuàng)紀(jì)錄的囚禁數(shù)量

該研究報(bào)告實(shí)現(xiàn)了超過(guò)15,000個(gè)反氫原子的同時(shí)囚禁。與以往需要數(shù)周或數(shù)月才能積累數(shù)百到數(shù)千個(gè)原子相比，新方法使反氫原子的陷阱率提高了八倍以上，僅需不到七小時(shí)就能完成一次大規(guī)模的原子積累。

2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰D(zhuǎn)型

如此巨大的囚禁量和效率的提升，直接改變了反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的能力：

• 高統(tǒng)計(jì)量精密測(cè)量： 實(shí)驗(yàn)不再是稀疏的“一個(gè)接一個(gè)”的事件統(tǒng)計(jì)，而是可以進(jìn)行高統(tǒng)計(jì)量、高信噪比的快速測(cè)量。這對(duì)于檢驗(yàn)反氫1S-2S躍遷頻率等極其精密的測(cè)量至關(guān)重要。
• 重力研究深化：2023 年，ALPHA 首次觀察到反氫原子在重力作用下的垂直偏轉(zhuǎn)。現(xiàn)在，有了大量穩(wěn)定的反氫樣本，可以進(jìn)行更復(fù)雜、更精確的重力實(shí)驗(yàn)，以尋找反物質(zhì)重力行為與普通物質(zhì)是否一致的細(xì)微差異。
• 系統(tǒng)效應(yīng)研究：能夠更快地積累數(shù)據(jù)，使得實(shí)驗(yàn)人員可以投入更多時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)誤差和天體周期的研究，從而更好地理解和控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響。

結(jié)論

“Be+ assisted, simultaneous confinement of more than 15000 antihydrogen atoms” 這篇論文所描述的突破，是反物質(zhì)研究領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。它成功地解決了超冷正電子制備這一長(zhǎng)期存在的瓶頸，將反氫實(shí)驗(yàn)從一個(gè)原子稀缺的時(shí)代推進(jìn)到高產(chǎn)量、高統(tǒng)計(jì)量的時(shí)代。

這種技術(shù)變革不僅使 ALPHA 合作組能夠以前所未有的速度對(duì) CPT 對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行最嚴(yán)格的檢驗(yàn)，也為未來(lái)更復(fù)雜的反物質(zhì)研究，例如反原子分子（如反氫分子）的探索，鋪平了道路。通過(guò)對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)之間可能存在的微小差異進(jìn)行極度精確的探尋，科學(xué)家們正逐步接近揭示宇宙起源和基本物理定律的終極奧秘。