粒子物理的標準模型（Sandard Model）認為，宇宙大爆炸時產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但是為什么現(xiàn)在宇宙中物質(zhì)遠比反物質(zhì)多，卻沒人能解釋清楚。最近《Nature》雜志上發(fā)表的一篇文章中，負責進行ALPHA實驗*的團隊報告了對反物質(zhì)原子光譜的首次測量。這個成就開創(chuàng)了高精度研究反物質(zhì)的全新時代。這是歐洲核子中心（CERN）研究反物質(zhì)的科學家20多年的工作成果。
*AlPHA是一個位于歐洲核子中心的國際合作實驗，主要任務是研究捕獲的反氫原子。該團隊希望通過對于氫原子和反氫原子的對比，找出正物質(zhì)與反物質(zhì)間的差異和基本原理。為了便于表述，下文中將進行ALPHA試驗的團隊統(tǒng)稱為AlPHA團隊。
ALPHA合作發(fā)言人杰弗里·哈恩斯特（Jeffrey Hangst）說：“我們使用激光觀察反氫中的電子躍遷，并與氫的結果進行比較，看它們是否遵循相同的物理定律。一直以來，這都是反物質(zhì)研究的一個主要目標?！?/p>
原子由原子核以及繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成。當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，它會吸收或發(fā)射特定波長的光，形成原子的光譜。每種元素都有獨特的光譜。因此，光譜學是物理學、天文學和化學等許多領域中常用的工具。借助光譜，人們可以了解原子和分子及其內(nèi)部的狀態(tài)。例如，在天體物理學中，分析遙遠恒星的光譜可以讓科學家確定它們的組成。
氫是宇宙中最豐富的元素，而且它結構簡單并易于研究，科學家對氫元素光譜的測量可以達到很高的精度。但科學家對反氫原子的了解則相當有限。在測量反氫譜之前，必須反質(zhì)子和正電子組裝成反氫原子。而且為了達到足夠的統(tǒng)計顯著性，需要產(chǎn)生足夠的反氫原子。這是一個艱難的過程，但卻值得付出努力，因為如果氫和反氫的光譜如果存在差異，將會對當今的物理學形成巨大的挑戰(zhàn)，并可能有助于科學家了解宇宙中的物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡的謎題。
ALPHA團隊首次觀察到反氫原子的光譜，使得比較物質(zhì)和反物質(zhì)光譜成為可能。在實驗誤差內(nèi)，結果顯示反氫與氫中的等效譜線沒有差異，這與粒子物理學的主流理論標準模型一致。
ALPHA團隊期望在未來提高測量的精度。以高精度測量反氫光譜為測試物理學基本原理提供了一種非凡的途徑，測試物質(zhì)是否與反物質(zhì)存在不同的性質(zhì)，從而進一步驗證標準模型。
ALPHA實驗使用了位于CERN的反質(zhì)子減速器，能夠產(chǎn)生反氫原子然后束縛在特別設計的磁阱中，并能一次操作幾個原子。這種捕獲反氫原子的手段允許科學家使用激光或其它輻射源展開研究。
“移動和捕獲反質(zhì)子或正電子很容易，因為它們是帶電粒子，”哈恩斯特說?！暗珒烧呓Y合得到的是中性的反氫，所以捕獲反氫原子難上加難?；诜礆鋷в幸恍┐判缘氖聦?，我們設計了非常特殊的磁阱。
ALPHA團隊是如何制造反氫原子的呢？他們將反質(zhì)子減速器產(chǎn)生的等離子體（含有約90,000個反質(zhì)子）與正電子混合來制備反氫，每次運行可以產(chǎn)生約25,000個反氫原子。如果產(chǎn)生的反氫原子運動足夠緩慢，就可以被捕獲到。ALPHA團隊的新技術每次試驗平均可以捕獲到14個反氫原子。通過使用合適頻率的激光束照射被捕獲的原子，科學家可以觀察光束與反氫的相互作用。科學家測量的是電子從1S軌道到2S軌道的躍遷，譜線寬度很窄，因此特別適合精確測量。
目前科學家在CERN繼續(xù)發(fā)展相關的技術。也許有朝一日人們會揭開物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡的難題。
