欧洲核子研究中心的科学家首次成功使用激光冷却反物质（来源：Chukman So）

人们相信反物质在宇宙中扮演着重要的角色。反物质是物质的对应物，各方面都相同——都有质子、中子和电子——但电荷是相反的。根据当前人类对物理定律的最佳理解，今天的宇宙应该是由同等数量的物质和反物质一起构成的。

但是据我们目前所看到的，并不是。反物质难以捉摸，现代物理学的一个大难题，就是经过几十年探索后，宇宙中似乎几乎完全没有反物质的存在，那我们该如何解释一个物质和反物质等量组成的“对称”宇宙呢？

为了解开这个宇宙之谜，物理学家们正在努力研究反物质的各种特征。他们对物质和反物质之间的微小差异尤其感兴趣，这些差异可以解释所观察到的不对称性，进而验证现有的物理定律。但研究反物质极其困难。产生反物质需要巨大的能量，而且它也很容易消失。它一旦与我们周围的物质接触，就会自我湮灭。

这个电磁阱演示器展现其所产生的力是如何留住空间中的带电粒子的（来源：Niels Madsen）

斯旺西大学物理学教授Niels Madsen和欧洲核子研究中心（CERN）的同行研究出了一种制造、捕捉和激光冷却反物质的方法，使反物质存在的时间长到足够研究人员做出一套更精确的全新测量法。这些实验很可能成为解决宇宙中反物质失踪之谜的重要一步。

制造反物质

正如物质是由原子组成的一样，反物质是由反原子组成的。最容易制造的反原子是反氢。1995年欧洲核子研究中心首次创造出了反氢原子，并于2012年首次测量成功。反氢原子是由一个反电子（被称为正电子）围绕一个反质子核旋转组成的（在物质中的对应物是氢），拥有宇宙中最简单的原子结构。

但是制造反氢原子并不容易。解决这个问题的经典高能物理方法是使用粒子对撞机。就像欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，将巨大的动能转化为可供我们研究的大量亚原子碎片。粒子加速器可以用来制造反质子。但要制造一个可用的反质子就需要100万个质子和至少2600万倍最终“存储”在反质子中的能量。所以研究人员制造的每个反质子都异常珍贵。

液态氦可以帮助我们冷却电磁阱中的反氢原子，但激光可以进一步降低温度（来源：Niels Madsen）

一旦我们创造了足够多的反质子，就需要反电子（正电子）来构建反原子。令人高兴的是，可以很容易地从放射源中收集到正电子。收集到核心原料后，研究人员只需要把它们组合起来即可。

研究人员通过迫使反质子和反电子在电磁阱中接触来实现这一步。至关重要的是，这些过程必须在真空中进行，因为如果反粒子与仪器的任何部分接触，它们一接触就会湮灭，完全消失。只有在所有这些步骤之后才能形成可用的反氢原子，它们被磁场组合固定在真空中。

测量反氢原子

在这个状态下研究人员可以测量反氢原子。要测量的是在反氢原子的两个能态之间的一个关键原子跃迁。这种跃迁特别适于精确测量。目前，对这个氢原子的对应物的跃迁，已经可以惊人地测到小数点后15位了。
研究人员把反氢原子的测量精确到小数点后12位，比最精确的氢测量差了1000倍，但仍是目前最好的反氢测量。但因为反原子动能的缘故，测量中有个关键限制就是电磁阱中反原子的运动。通过进一步减少这种运动，测量就能更精确。研究人员正是通过激光爆破反原子实验首次实现了这一点。

激光冷却

激光中的光是由光子组成的，光子本身具有动量。当一个原子吸收光子时，原子的速度略有变化。通过遵循这一基本原理，可以利用激光束中包含的动量来减少被捕获反原子的动能，并将它们冷却到接近绝对零度。
这要求研究人员只在反原子向激光移动时，才用光子撞击它们，因为它实际上会抵消反原子的一些速度，有点儿像你必须用力才能让荡秋千的孩子摆荡速度慢下来。通过使用这种定向激光冷却，研究人员成功地将储存的反氢原子温度降低了10倍，这就有可能将未来的测量精度提高到原来的4倍。

研究人员还没有完成足够的测量，无法发布关于反氢原子的更精确的新数据，但很快就会做到。此外，激光冷却技术使研究人员在物质和反物质的许多测量上走上了一条更加精确的道路，也使得离更加精确地测量氢本身又近了一步。

激光冷却技术为测量反氢原子开辟了令人兴奋的可能性。结合现有技术，使能够积累相对大量的反氢原子（每天都能制造出成千上万的反原子）。研究人员很快就会知道更多关于反氢原子的本质以及额外的知识，从而帮助我们理解为什么反物质在宇宙中无处不在，却又如此难以捉摸。