物質-反物質混合原子
每當科學家想要窺探反物質的神秘世界時，他們必須借用復雜的技術手段來防止反物質與周圍的普通物質接觸。這種隔離是至關重要，因為正如眾所周知的那樣，反物質一旦與普通物質接觸就會立即湮滅。
不過最近，一個國際研究團隊在歐洲核子研究中心(CERN)進行了一項令眾多科學家驚訝的實驗，他們將物質和反物質結合成了奇特的、能在短時間內保持穩定的混合氦原子，當這些奇異的原子被浸入到超流氦時，表現出了意想不到的行為。
這一新的結果或許將為把反物質用于研究凝聚態的性質或在宇宙射線中尋找反物質開辟一條新的路徑。
減速器中的反物質粒子
根據粒子物理學的標準模型，我們知道粒子與其對應的反粒子除了攜帶符號相反的電荷之外，其他屬性都完全相同。以攜帶一個正電荷的質子為例，其反粒子是攜帶一個負電荷的反質子。
在過往的實驗中，科學家尚未發現任何證據表明，質子和反質子的質量有任何不同，如果能發現任何這樣的差異，那么無論多么微小，都會動搖物理學的基礎。
盡管迄今為止的所有實驗證據都證明它們的其他性質都完全相同，但科學家并不能排除這樣的現狀是由于現有實驗方法不夠靈敏，從而檢測不到任何可能存在的細微差別所導致的。
因此，世界各地的科學家仍在試圖通過改進各種技術，以便對反粒子的特性展開更精確的觀測。利用磁懸浮將反物質原子置于真空腔中進行光譜測量是科學家們通常會采用的一種觀測手斷。
在新研究中，研究人員利用CERN的反質子減速器創造出了奇特的含有反質子的氦原子。在反質子減速器中，高能質子在碰撞過程中所產生的反物質粒子的速度會下降，從而成為進行這類實驗研究的理想材料。
在實驗中，他們將緩慢的反質子與冷卻到接近絕對零度的液氦混合，一小部分反質子會在液氦中被捕獲，使得原本繞氦原子核的兩個電子中的一個被反質子取代，形成一種能在足夠長的時間內都保持穩定的結構，使得光譜學研究得以展開。
在新研究中，原子中的一個電子被反質子替代，形成了奇異的混合物質-反物質氦原子。| 圖片參考來源：Nature
2.2K時的纖細光譜線
這是一次令人興奮的突破。其實一直以來，在液體中的反物質原子都被認為是無法用激光的高分辨率光譜學來加以研究的。因為在液體中，密集排列的原子或分子之間的強烈相互作用會導致光譜線嚴重加寬。
把原子浸入到超流氦中，會使光譜線加寬。| 圖片參考來源：Nature
這些光譜線就像是用于識別每個原子的“指紋”，它們是原子被從激光束中吸收的能量激發時所產生的共振圖像。共振線在頻率標尺上的確切位置以及線的形狀可以揭示原子的性質、作用在反粒子上的力等信息。如果共振線被加寬，這些信息就會被掩蓋。
在新的研究中，研究人員在不同溫度下觀察了反質子氦原子的光譜。他們用鈦藍寶石激光器所發射的激光照射液氦，這種激光能以兩種不同的頻率激發反質子原子的兩種共振，結果表明，當溫度降到2.2K以下時，光譜線的形狀會突然改變——在更高溫度下寬寬的光譜線會在這時變得非常狹窄。
當氦原子中的一個電子被反質子替代后，在特定溫度下，譜線變窄。| 圖片參考來源：Nature
在2.2K以下時，氦會開始進入所謂的超流體狀態。超流體是一種特殊的液體狀態，其特征之一就是沒有內摩擦。這是氦在極低溫下會表現出的一種典型量子物理學現象。
目前，研究人員尚不清楚反質子光譜線為何會在這樣的環境中發生如此驚人的變化，也不了解在這個過程中究竟發生了什么物理變化。
在黑暗中尋找光明
盡管仍有很多未知，但研究人員表示這種效應所帶來的可能性是深遠的。共振線的明顯變窄會使得當原子被光激發時可以分辨出所謂的超精細結構。超精細結構是原子中的電子和反質子相互影響的結果。
除了粒子物理學之外，這種物質-反物質氦原子還可用于凝聚態物理，甚至天體物理實驗中。狹窄纖細的光譜線有助于探測宇宙輻射中的反質子和反氘核。利用超流氦探測器或許還有可能幫助從太空捕獲和分析反粒子，甚至有可能幫助我們解決另一個巨大的物理學謎團——暗物質的本質。有理論認為，當暗物質在銀河系的光暈中發生相互作用時，可能會產生反質子和反氘核，然后這些反質子和反氘核會被傳送到地球上。因此在某種程度上，我們可以說反物質或許能為宇宙中的這個“黑暗”謎團帶來光明。
