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(zé)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(xué)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(wù)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(jié)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。”

原子由原子核以及繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成。當(dāng)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(xué)是物理學(xué)、天文學(xué)和化學(xué)等許多領(lǐng)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(xué)中，分析遙遠恒星的光譜可以讓科學(xué)家確定它們的組成。

氫是宇宙中最豐富的元素，而且它結(jié)構(gòu)簡單并易于研究，科學(xué)家對氫元素光譜的測量可以達到很高的精度。但科學(xué)家對反氫原子的了解則相當(dāng)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(dāng)今的物理學(xué)形成巨大的挑戰(zhàn)，并可能有助于科學(xué)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(jié)果顯示反氫與氫中的等效譜線沒有差異，這與粒子物理學(xué)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(xué)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(shè)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(xué)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。“但兩者結(jié)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┐判缘氖聦崳覀冊O(shè)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(shù)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(xué)家可以觀察光束與反氫的相互作用。科學(xué)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(xué)家在CERN繼續(xù)發(fā)展相關(guān)的技術(shù)。也許有朝一日人們會揭開物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡的難題。