■ 撰文 | 周立新
据Nature新闻报道，欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，简称CERN）发起了一个新项目——即将反物质从CERN运送到其他实验室。这是首次给反物质“搬家”，而且他们计划用一辆卡车运送。除了在CERN内部转移，他们还要送到欧洲其他实验室，这意味着世界上“最危险”的物质将出现在欧洲的马路上。将比核聚变还危险的反物质带出实验室，这多少听起来很有些“骇人听闻”。
了解反物质，要从物质说起。物质由质子、中子和电子构成，这些粒子通常被称为基本粒子。同时被定义的还有质子带正电，中子不带电，电子带负电。反物质，顾名思义，一切都和物质反着来，反原子由反质子、反中子和反电子构成。与原子相比，它们的质量相等，携带的电荷相反，内部磁场也相反。自然界中常见的是物质，反物质并不常见。目前，随着对粒子研究的深入，我们对原子内部结构的认识逐渐丰富，而对于反物质的研究，由于其稀缺性和诸多其他困难，研究过程更显得困难重重。但是，开展反物质的研究对人类认识世界非常重要，这也是科学家们一直在努力的原因。
当物质和反物质相遇，随即发生“湮灭”，这是一个由质量转化为能量的过程，原有物质形式消失成为纯电磁辐射，当然也有可能产生其他的粒子—反粒子对，例如，在高能状态下，质子和反质子湮灭后可能产生介子和中性介子。湮灭过程中释放的能量可以依据质能方程E=mc²计算。广岛原子弹爆炸的能量约为1.5万吨TNT当量，一颗典型的氢弹爆炸的能量达到几百万吨的TNT当量，而6克反物质湮灭产生的能量足以毁灭一座大型城市。
物理学家开展反物质研究的目的必然不是想毁灭地球，就像研究核反应的初衷也并不是为了制造武器。反物质作为一种客观存在的粒子，湮灭产生能量是它的客观现象，而研究它是为了更好地了解利用，也是为了保护人类。特别是，科学家希望通过对反物质的研究窥探到宇宙大爆炸初期世界的状态。
宇宙大爆炸发生几个微秒后产生了极端高温高密的退禁闭的夸克-胶子等离子体（QGP），此时存在数量相当的正粒子与反粒子[1]，随后迅速反应生成强子。理论上讲，这时正粒子和反粒子应该湮灭。然而，由于某种未知的机制破坏了正反粒子的平衡，物质留下来形成了我们目前所见到的世界。反粒子哪去了？宇宙中的对称性似乎没那么严谨了。
关于反物质的研究可以追溯到1898年，德裔英国物理学家Arthur Schuster以Potential Matter-A Holiday Dream为题在Nature发表文章，首次提出了反物质的概念。1932年，美国物理学家Philip Anderson通过带有磁场的探测器观测到了来自宇宙射线的正电子；1955年Emilio Segrè 和 Owen Chamberlain 等[2]在美国伯克利的回旋加速器上发现了反质子，他们分别获得了 1936 年与 1959 年的诺贝尔物理学奖。
在发现反物质后，科学家们一直尝试在地球上制造反原子。终于，1995年，CERN的ATHENA和ATRAP实验首次成功制造了反氢原子（由一个反质子和一个正电子组成）；到了2010年，他们已经可以将反质子的寿命控制到172 ms[3, 4]；2011年，反氢原子的寿命延长到1000 s[5]。目前，反质子的储存记录是405天。这一切得益于磁阱（如Penning阱和Paul阱）技术的使用，它能够使粒子处于悬浮状态，从而杜绝与容器壁接触发生湮灭的可能。这也是本文提到的反物质可以“转移”的技术前提。
如何理解磁阱？在学习量子力学的时候，“一维无限深势阱”的字眼频繁出现。我常常想，这是怎样的一个“阱”，要多深才能称之为无限深，要多大的势能才能足够称之为“阱”，百思不能将其具象化。我也常常想，为什么一定是“阱”，是否可以是“篮子”或者“盒子”呢？“阱”，多以“陷阱”成为一个词出现，所谓陷阱，可以是地下挖的深坑，也可以是放在地面的“老鼠夹子”，也可能是触发即可吊起猎物的网兜，总之陷阱是与猎物之间的关系是，猎物一旦“掉入”陷阱，就会进入一种状态，一种失去自由、身不由己的状态，物理学称之为“束缚态”。这里，反物质可以看作“猎物”，而能够限制反物质的陷阱就是“磁阱”。区别在于，磁阱由磁场构成，在磁场作用下，反质子被“困”在真空舱（或瓶）中，保持相对独立状态。
有人要问，是什么原因导致了粒子的这场必需的“出走”呢？是实验精度的需要。欧洲核子研究中心的粒子加速器就是反质子的诞生地，各项实验在中心开展顺理成章，但是，周围背景磁场干扰了结果的准确度，于是科学家有了更换实验地点的想法。更换实验地点会显著提高精度吗？相比较而言，大约能将精度提高100多倍。
是否可以考虑换个地方重建一套装置呢？有人估算过，一克反物质的价值是62.5万亿美元，生产反质子的过程需要耗费大量的电力，以欧洲当前取暖都很困难的现状，大概即没有电力供应，也没可能拿出多余的经费建造新的设施。
正式开始运输反物质之前，为了考察实验的可行性，科学家们用质子做了个预备试验。为什么选择质子作为“替代品”参与实验？一则“反质子”真的很贵，不好随便浪费；二则因为质子和反质子的性质相似，如果质子可以成功转运，那反质子也可以。区别大概就是反质子运输要求的条件会苛刻一些。欧洲核子研究中心物理学家Christian Smorra说：“如果你可以用质子做这件事，那么它也可以用反质子做。唯一的区别是，你需要一个更好的真空室来容纳反质子。”
BASE-STEP项目中承载质子的“转移设施”在吊臂下离开实验大厅。图片来源：CERN
BASE-STEP项目中承载质子的“转移设施”在吊臂下落入卡车。图片来源：CERN
转场结束，绿色信号表明70个质子还“活着”。图片来源：CERN
参考文献
[8] https://www.symmetrymagazine.org/article/antimatter-on-wheels
本文2025年1月16日发表于微信公众号 返朴 （物理学家要给反物质搬家，总共分几步？），风云之声获授权转载。
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