在欧洲核子研究中心（CERN）一个高耸的机库中，六个相互竞争的实验正在竞相了解宇宙中最难以捉摸的物质之一的性质。它们彼此相距仅几米。在某些地方，它们实际上是叠在一起的：一个的金属束像购物中心的自动扶梯一样与另一个纵横交错，其数吨重的混凝土支架在头顶上不祥地悬挂着。
“我们 постоянно 被彼此提醒，”物理学家迈克尔·多泽说，他领导着 AEGIS 实验，该实验正在争夺第一个发现反物质（物质的稀有镜像）如何响应引力的实验。
多泽和他的竞争对手别无选择，只能紧密合作。位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室 CERN 拥有世界上唯一的反质子来源——这些粒子似乎与质子完全相同，只是它们的电荷和自旋相反。该实验室的反质子减速器是一个环，周长 182 米，它与实验室更大、更著名的兄弟机构大型强子对撞机 (LHC) 使用相同的加速器供能。反质子进入机器时，速度接近光速。顾名思义，减速器减慢粒子的速度，提供一股反质子流，实验必须轮流从中汲取。所有这些都必须小心进行；一旦遇到物质，反粒子就会在一阵能量中消失。
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几十年来，科学家们一直致力于锁定反质子以及它们可以用来构建的反氢原子足够长的时间以进行研究。过去几年见证了快速进展：实验人员现在可以控制足够多的反粒子，开始认真探测反物质，并对其基本属性和内部结构进行越来越精确的测量。领导 ALPHA 实验的杰弗里·汉斯特说，至少原则上，他的团队现在可以对反氢做其他团队对氢所做的任何事情。“对我来说，这段时期是我为之奋斗了 25 年的目标，”他说。
这些实验承载着很多期望：即使物质和反物质的属性之间存在微小的差异，也可能解释为什么万物存在。据物理学家所知，物质和反物质应该在早期宇宙中以相等的量产生，然后相互湮灭成虚无。但这并没有发生，这种基本不平衡的起源仍然是物理学中最大的谜团之一。
欧洲核子研究中心的努力不太可能很快破解这个难题。到目前为止，反物质已被证明与物质极其相似，许多物理学家认为它将保持这种状态，因为任何差异都会动摇现代物理学的基础。但是，这六个实验是欧洲核子研究中心 30 多年前开始的一系列研究中的最新成果，它们正在引起关注，因为大型强子对撞机在其寻找可能解释反物质悖论的粒子的过程中继续一无所获。此外，这些团队在操纵反物质方面的快速进展为他们赢得了对该设施反质子工厂的重大升级——一个尖端的减速器，将于今年年底开始运行，并最终使实验能够使用多达 100 倍的粒子（参见“减速器”）。
在欧洲核子研究中心实验中工作的数十名物理学家知道他们面临着严峻的挑战。反物质难以处理，团队之间的竞争激烈，发现新事物的几率似乎很低。但欧洲核子研究中心的反物质管理者受到开启宇宙新窗口的刺激。“这些都是如此精湛的实验，无论你得到什么答案，你都可以为做这件事感到自豪，”汉斯特说。无法保证反物质会产生重大发现。但是，“如果你能拿到一些，”他说，“不去看它将是完全应受谴责的。”
事实
反物质物理学的根源可以追溯到 1928 年，当时英国物理学家保罗·狄拉克写了一个描述电子以接近光速运动的方程1。狄拉克意识到他的方程必须既有正解又有负解。他后来将这种数学上的怪癖解释为暗示反电子（现在称为正电子）的存在，并推测每种粒子都应该存在反物质等价物。
实验学家卡尔·安德森在 1932 年证实了正电子的存在，当时他发现了一种看起来像电子的粒子，只是当它穿过磁场时，它的轨迹向相反的方向弯曲。物理学家很快意识到，正电子通常在碰撞中产生：用足够的能量撞击粒子，其中一些能量可以转化为物质-反物质对。
到 20 世纪 50 年代，研究人员已经开始利用这种能量到粒子的转换来产生反质子。但这花了数十年才找到一种制造足够多的反质子来捕获和研究的方法。一个动机是诱人的想法，即反质子和正电子可以配对以制造反氢，然后可以将其与经过充分研究的氢原子进行比较（参见“与反物质搏斗”）。
制造正电子非常简单。这些粒子在某些类型的放射性衰变中产生，并且可以很容易地用电场和磁场捕获。但是质量更大的反质子是另一回事。反质子可以通过将质子撞击到致密金属中来制造，但它们从这种碰撞中出现时移动得太快，无法被电磁阱捕获。
反物质猎人需要一种方法来大量减慢或冷却粒子。欧洲核子研究中心首次专门尝试减速和储存反物质始于 1982 年，即低能量反质子环 (LEAR)。1995 年，也就是 LEAR 计划关闭的前一年，一个团队使用该设施的反质子制造了第一个反氢原子2。
LEAR 的替代品反质子减速器于 2000 年上线，进行了三个实验。与其前身类似，它驯服反粒子，首先使用磁铁聚焦它们，然后使用强电场减速它们。电子束也与反质子交换热量，冷却但不会接触它们，因为粒子类型都带负电荷，因此相互排斥。整个过程将反质子减速到光速的十分之一。这仍然太快而无法使用，因此六个实验中的每一个都使用技术来进一步减慢和捕获反质子。
在这个过程中有很多损耗。每次“发射”到实验的 3000 万个反质子都始于将 12 万亿个质子撞击到一个目标。例如，当汉斯特的 ALPHA 实验将反质子减速到足以与正电子配对并产生反氢时，只剩下 30 个粒子，其余的都逃逸、湮灭或因太快或状况不佳而无法研究而被丢弃。用如此少量的反原子进行实验真是一件痛苦的事情，汉斯特说：“当你不得不处理这些东西时，你会对所有其他物理学产生全新的态度。”
争夺奖项
欧洲核子研究中心的反物质研究最终将面临来自反质子和离子研究设施的竞争，这是一个价值 10 亿欧元（11.6 亿美元）的国际加速器综合体，位于德国达姆施塔特，将于 2025 年左右建成。但就目前而言，欧洲核子研究中心垄断了生产足够慢以供研究的反质子。
今天，反物质设施正在运行五个实验（其中一个 GBAR 仍在建设中）。每个实验都有自己处理反质子的方式，尽管有些实验是独特的，但它们经常竞争测量相同的属性并独立验证彼此的值（参见“实验”）。
图片来源：自然 来源：CERN
这些实验共享一条光束，这意味着在任何两周的时间内，只有五个实验中的三个获得光束时间，每个实验轮流进行 8 小时的轮班。每周的协调会议确保每个实验都知道其邻居的磁铁何时运行，以免破坏敏感的测量。但是，尽管距离很近，团队通常还是通过阅读论文来了解邻居取得的突破。“这是建立在竞争基础上的，这很好。这会激励你，”汉斯特说。
图片来源：自然 来源：CERN
今天，六个实验中只有一个——BASE——直接研究来自反质子减速器的反质子。BASE 将粒子保存在彭宁阱中，彭宁阱是一个由电场（垂直固定粒子）和磁场（使粒子绕圈轨道运行）组成的复杂阵列。该团队可以将反质子储存一年以上，并已使用反质子在阱中的轨道来确定粒子的荷质比，精度创下纪录3。该小组还使用一种复杂的方法来揭示反质子的磁矩4——类似于其内在磁性。该测量涉及在两个独立的阱之间快速切换单个粒子，并检测由振荡微波场的微小变化引起的变化。掌握这项技术已成为合作负责人斯特凡·乌尔默（日本和光市 RIKEN 的物理学家）的热情。“我的整个心都在这里，”他说。
在欧洲核子研究中心被其他实验研究的反氢带来了自身的挑战。由于它具有中性电荷，因此不受电场影响，几乎无法控制。实验必须利用反原子的弱磁性，用“磁瓶”约束粒子。为了使瓶子工作，内部的磁场必须在很小的距离内发生巨大变化，在仅 1 毫米的距离内变化 1 特斯拉——相当于汽车起重废料场磁铁的强度。即便如此，反氢原子的温度也必须低于 0.5 开尔文，否则它们会逃逸。
第一个反氢原子，是使用移动中的反质子创建的，持续了约 400 亿分之一秒。2002 年，两个实验 ATRAP 和 ALPHA 的前身 ATHENA 成为第一个减慢反质子速度足以制造大量反氢的实验，每个实验都积累了数千个原子5。重大突破发生在将近十年后，当时团队学会了将反原子捕获数分钟6。此后，他们测量了电荷和质量等属性，并使用激光探测能级7。在第 66 页，ALPHA 报告了其最新进展：迄今为止对反氢超精细结构的最精确测量，这是由其反质子和正电子之间的相互作用引起的微小内部能量偏移8。
欧洲核子研究中心的实验共同探索了一系列反物质特性，其中任何一种都可能显示出与物质的差异。反物质资深人士正木堀说，所有这些实验的目标都是不断缩小不确定性。他领导 ASACUSA 实验，该实验使用激光在飞行中研究反原子，使其免受陷阱的破坏性力。去年，该团队精确测量了反质子质量与电子质量的比率，使用了奇异的氦原子，其中反质子取代了电子9。与迄今为止的其他测量结果一样，它显示物质和反物质之间没有差异。但每个结果都更严格地检验了物质和反物质是否真的是精确的镜像。
有什么区别？
如果实验要检测到物质和反物质之间的任何差异，那将是一个根本性的发现。这将意味着违反一个称为电荷、宇称和时间反演 (CPT) 对称性的原则。根据该原则，一个充满反物质并且时间倒流的镜像宇宙将具有与我们自己的宇宙相同的物理定律。CPT 对称性是相对论和量子场论等理论的支柱。打破它在某种程度上会打破物理学。事实上，只有奇异的理论预测反物质实验会发现任何东西。
因此，大型强子对撞机的物理学家倾向于“带着困惑的关注”来看待隔壁的反物质研究人员，在反物质领域工作了 30 年的多泽说。“他们认为这些东西很有趣，但不太可能带来新的东西，”他说。欧洲核子研究中心理论家乌尔斯·维德曼似乎证实了这一点。他说，这些实验操纵反物质的能力“令人难以置信”，并且对理论的此类检验至关重要，但是“如果你问是否存在坚实的物理动机，在某种精度下会发现一些新的东西，我认为一个公正的说法是，‘没有’”。
尽管如此，大型强子对撞机在解决反物质之谜方面也好不到哪里去。早在 20 世纪 60 年代的实验就表明，某些物理过程，例如奇异的卡介子衰变为更熟悉的粒子，具有微小的偏向于产生物质的倾向。大型强子对撞机的实验一直在寻找更多这样的偏差，甚至是一系列尚未发现的粒子，这些粒子在早期宇宙中的行为可能解释了仍然存在的巨大的物质-反物质不平衡。有充分的理由怀疑这种粒子的存在：超对称预测了它们，超对称是一种旨在解决粒子物理学中一些令人不安的悬而未决的问题的理论。但在八年的搜索中，没有发现任何此类粒子。现在，最简单、最优雅的超对称版本——最初使这个想法具有吸引力的版本——已在很大程度上被排除在外。“今天，大型强子对撞机正在寻找假设粒子，这些粒子可能存在也可能不存在，理论指导很少。在某种程度上，我们所处的情况也是如此，”多泽说。
一些团队现在正投入到下一个重大挑战中：竞赛测量反物质在重力下的加速度。物理学家普遍预计反物质会像物质一样下落。但一些边缘理论预测它具有“负质量”——它会被物质排斥，而不是被物质吸引。具有这种特性的反物质可能解释暗能量和暗物质的影响，它们的身份仍然未知。但大多数主流理论家认为，这样的宇宙本质上是不稳定的。
向上即向下
像往常一样，自由落体中测量反氢将是一个使其足够冷却的问题。即使是最微小的热波动也会掩盖原子下落的信号。并且只能使用反氢等中性粒子，因为即使是遥远的电磁场源也可能使带电粒子受到大于重力的力的作用。
明年，汉斯特的小组计划使用成熟的技术——ALPHA 实验的垂直版本——来明确确定反物质是向上还是向下落。“显然我认为我们会首先成功，否则我就不会参与其中，”他说。但另外两个实验——多泽的 AEGIS 和反物质设施的最新成员 GBAR——紧随其后。两者都使用激光冷却技术来提高精度，这将使它们能够比 ALPHA 目前能够捕捉到的更细微的物质和反物质加速度之间的差异。AEGIS 将测量水平反氢束的弯曲，而 GBAR 将使其反原子自由落体 20 厘米。两者的目标都是将反原子的温度降至绝对零度以上几千分之一度，从而实现灵敏度高达 1/100 的重力加速度测量，并计划进一步提高。
今年晚些时候，GBAR 将成为第一个受益于 ELENA 的实验，ELENA 是一个新的 2500 万瑞士法郎（2600 万美元）、周长 30 米的环，位于反质子减速器内部，旨在进一步减慢来自机器的反质子速度。最终，ELENA 将几乎同时向所有实验提供粒子。反质子将慢七倍，并以更清晰的光束到达。由于它们在早期阶段会更有效地冷却，因此实验应该能够捕获更多的粒子。
汉斯特说，现在团队可以操纵和测试反物质，越来越多的物理学家开始对这项工作感兴趣。他们甚至提出了实验和检查值的想法。这些小组也在向外看，寻找其技术可能帮助其他研究领域的方法。例如，GBAR 团队正在研究一种便携式陷阱，用于将反质子运送到欧洲核子研究中心的一个名为 ISOLDE 的实验中，在那里它们可以用来绘制不稳定的放射性原子中的中子。
多泽认为，假设技术僵局不会阻碍进展，到 2020 年代末，物理学家将足够擅长处理反物质，能够复制一系列原子物理学壮举，包括构建反物质原子钟。“我现在看到很多想法涌现出来，这是一个领域正在快速发展的迹象，”他说。“我希望欧洲核子研究中心永远不会把我踢出去，因为我对未来 30 年有计划。”
本文经许可转载，并于首次发布于 2017 年 8 月 2 日。