反物質是難以捉摸的，現代物理學的一個主要難題是，當經過幾十年的探索，宇宙似乎幾乎完全沒有反物質時，我們如何解釋一個由相等物質和反物質組成的“對稱”宇宙。為了試圖解開這個宇宙之謎，物理學家們正利用激光研究反物質的各種特性。
反物質被認為在我們宇宙的故事中扮演著重要的角色。它是物質的對應物，一樣有質子、中子和電子，但電荷相反。根據我們對物理定律的最佳理解，今天的宇宙應該由物質和反物質組成。那么事實真是這樣么?
研究反物質是非常困難的，創造反物質需要巨大的能量，即使創造成功，它也很容易消失——當它與我們周圍的物質接觸時，它會自我毀滅。歐洲核子研究組織(法語:Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire;英語:European Organization for Nuclear Research，1954年9月29日設立，通常被簡稱為CERN，是世界上最大型的粒子物理學實驗室)已經研究產生了一種方法，可以魔法般創造、捕獲和用激光冷卻反物質，持續足夠長的時間，使其能夠進行更精確的測量。這一實驗是解開宇宙中反物質消失之謎的重要一步。
制造反物質
正如物質是由原子組成的一樣，反物質也是由反原子組成的。最容易制造的反質子是反氫(——氫在物質中的對應物，由CERN于1995年首次創造，并于2012年首次測量。由一個圍繞一個反質子核運行的反電子(稱為正電子，是電子的反粒子，與電子質量相等，但電荷相反))組成，反氫和氫具有宇宙中最簡單的原子結構。但是制造反氫并不容易。
解決這個問題的經典方法是使用粒子對撞機，就像CERN的大型強子對撞機(是粒子物理科學家為了探索新的粒子和微觀量化粒子的'新物理'機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備，Large Hadron Collider，英文名簡稱為LHC)一樣，可將巨大的動能轉換成足夠多的亞原子碎片供我們研究。
電磁阱產生的力將帶電粒子“定住”。來源：Niels Madsen
粒子加速器可以用來制造反質子，然而，要制造一個可用的反質子，我們需要100萬個質子和至少2600萬倍于最終“儲存”在反質子中的能量。這使得我們制造的每一個反質子都無比不易、無比珍貴。一旦我們創造了足夠多的反質子，我們就需要反電子(正電子)來構建我們的反原子(通過迫使反質子和正電子在電磁阱中接觸而實現的)。令人高興的是，正電子可以很容易地從放射源中收集。另外，還必須要注意這一構建必須在真空中發生，因為如果反粒子與儀器的任何部分接觸，它們就會在接觸中湮滅、完全消失。只有經過所有這些步驟，我們才能形成可用的反氫原子，這些原子被磁場組合固定在真空中。
測量反氫
在上面所說的這種狀態下，才可以測量反氫。我們要測量的是反氫原子兩種能量狀態之間的關鍵原子躍遷——這種轉變特別適合于精確測量，氫中的當量已經精確到驚人的小數點后15位。
我們的反氫測量可精確到小數點后12位。這比普通氫的最精確測量差了1000倍，但這是目前任何人做過的最好的反氫測量。
但是我們測量的一個關鍵限制是反原子在阱中的運動，因為它們產生著動能。通過進一步減少這種移動，我們的測量將更加準確。我們的實驗第一次通過用激光爆破反原子實現了這一點。
激光冷卻
激光器中的光是由光子組成的，光子自身帶有動量。當一個原子吸收一個光子時，原子的速度會發生微小的變化。通過遵循這一基本原理，我們知道我們可以利用激光束中包含的動量來降低我們捕獲的反原子動能，并將它們冷卻到接近絕對零度。這要求我們只在反原子向激光運動時用光子撞擊反原子，因為這會抵消反原子的一些速度，你可以想象你在秋千上使力從而讓孩子慢下來。
液氦有助于冷卻阱中的反氫，但激光有助于進一步降低溫度。來源：Niels Madsen
通過使用這種定向激光冷卻，我們設法將儲存的反氫的溫度降低了十倍，這有可能將未來的測量精度提高四倍。除此之外，我們的激光冷卻技術已經使我們在物質和反物質的許多測量中獲得了更高精度，并使我們更接近于對氫本身進行更精確的測量。
令人興奮的是激光冷卻為測量反氫開辟了更多可能。現有的技術可允許我們積累大量反氫，比如每天可積累數千個反原子，我們將很快對反氫的性質有更多的了解——幫助我們理解為什么物質在我們的宇宙中無處不在，而反物質卻如此難以捉摸。
來源：“Laser cooling of antihydrogen atoms” by C. J. Baker, W. Bertsche, et al., 31 March 2021, Nature. DOI: 10.1038/s41586-021-03289-6
原文參考SciTechDaily，Antimatter: Scientists Trap Elusive Material by Blasting It With Lasers，By NIELS MADSEN, SWANSEA UNIVERSITY
