CERN科学家首次利用激光对反物质进行了冷却

欧洲核子研究组织（CERN）的科学家们，刚刚首次通过激光实现了反物质的冷却。这项里程碑式的成果，或有助于揭开反物质的神秘面纱，尤其是它为何在“大爆炸”之后不久，便在宇宙中消散于无形。此外与难以捉摸的暗物质不同，反物质至少对我们来说还显得更“有形”一些，且近年来已经得到了隔离、产生和检验。

研究配图 - 1：ALPHA-2 装置示意图与反氢能级

简单理论的设想是，反物质与正常物质带有相反的电荷，若一定数量的两者互相接触，则可能在湮灭时爆发出巨大的能量。正因如此，反物质的存储和运输也变得相当棘手，更别提对其展开深入的了解。

庆幸的是，过去十年时间里，CERN 科学家们一直在努力开发更好用的容器。这些容器主要利用电磁作用，让反物质在真空中悬浮更长的时间。从几秒之一秒到几分钟，甚至超过一年。

研究配图 - 2：激光冷却反氢的谱线形状与 TOF 分布

如此一来，科学家们就能够通过多种方式来研究反物质，比如它的光谱、及其与重力的相互作用。所有这些的主要目的，就是研究电荷是否是物质与反物质之间的唯一区别。

此外还有另一个问题，即研究人员难以在温度较高的“嘈杂”环境中，对反物质展开更精确的测量。

研究配图 - 3：激光冷却 / 加热反氢的横向动能分布（TOF 重构）

好消息是，CERN 旗下 ALPHA 研究团队的工作人员，已经成功地借助激光来冷却反氢原子。此前这项技术已普遍运用于常规物质，但这次却是我们首次见到它被运用于反物质。

可知原子（或反原子）能够吸收激光的光子能量，将之短暂推向更高的能级，不久后再次发射光子、并衰减至较低的能级。由于光子可传递动量，科学家们便可利用此循环，让原子逐渐减速。

研究配图 - 4：实验中冷热原子的谱线比较

为实现这一点，ALPHA 研究团队还使用了专为反氢而设计的脉冲激光，且频率刚好处在“低于其最低的能量状态”和向“较高的能量状态”转变之间。

通过数小时的努力，研究人员发现它们的（中值）动能下降到了初始值的 1/10 左右，温度也冷却到了 0.012K（仅略高于始终无法达到的绝对零度）。

研究配图 - 5：从 1S-2S 能级跃迁的谱线记录

完成这项任务之后，研究团队继续发现，由激光冷却的反氢的光谱线，只有通常的 1/4 窄，表明了该技术有利于科学家对反物质展开更精确的测量，进而帮助我们深入了解反物质与常规物质的区别。

CERN cools antimatter using laser light for the first time（via）

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原标题为《Laser cooling of antihydrogen atoms》。