反物質出門坐車，需要分幾步？ |《自然》長文

原文作者：Elizabeth Gibney

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這種不穩定的物質將被裝載到卡車中，穿越歐洲核子研究中心（CERN）園區，運送到不同設施，為科學家提供更多研究它的機會。

PUMA實驗（反質子不穩定物質湮滅，antiProton Unstable Matter Annihilation）是一個緊湊型實驗，旨在將反質子從CERN的反物質工廠運送到實驗室的ISOLDE設施。圖片來源：Maximilien Brice/CERN (CC-BY-4.0)

兩支來自歐洲核子研究中心（CERN）的物理學團隊，正在競速完成一項非凡的壯舉：首次運輸反物質。反物質是普通物質的鏡像，極難制造且壽命極短——在與普通物質接觸的瞬間就會湮滅。其中一支團隊希望將反物質轉移，以便進行更精確的研究，另一支團隊則計劃利用反物質進行前所未有的首次材料探測實驗。

“如果實現了，將開啟無數新機遇。”美國紐約州布魯克海文國家實驗室 的物理學家 James Dunlop說，他的研究涉及在納秒尺度上觀察反物質。

每一個物質粒子都有一個與之相對應的反粒子：是它的鏡像，帶有相反的電荷。物理學家認為，在宇宙大爆炸期間，宇宙中產生了等量的物質和反物質。但是，如今的宇宙卻幾乎完全由普通物質組成，這仍是一個未解之謎。

反物質在地球上價值連城——制造一克的成本可達數萬億美元。位于瑞士日內瓦附近的CERN是世界上唯一一個能制造慢速反粒子的地方，這些反粒子來得及被捕捉和儲存，并有望在不湮滅的情況下被運輸出去。CERN的兩個項目，PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) 和BASE-STEP，正計劃將反物質運往其他實驗室，預計在今年實現。

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反物質運輸

兩支團隊運送反物質的目標有所不同。BASE-STEP項目團隊計劃將反質子，即質子的反粒子，運送到一個無實驗噪聲的環境中，以進行更細致的研究。而PUMA則計劃將反質子運送到一個也生產其他短壽命物質的科學裝置中，利用反物質探測它們的原子核結構。

兩項計劃的首次運輸都只需幾小時，僅限于CERN科學園區內部。但團隊以后希望進行更長距離的運輸，送到歐洲的各個大學，讓更多實驗室有機會研究反物質。BASE-STEP項目團隊的目標是將反質子運送到約700公里外的德國杜塞爾多夫的海因里希·海涅大學，該團隊的一部分成員就在該大學工作。

此類運輸服務“將有助于反物質使用及研究的普及”，德國達姆施塔特工業大學的物理學家、PUMA項目的設計者Alexandre Obertelli說。

捕獲反質子

為了在運輸過程中存儲反質子，研究人員花費了數年時間研發專用的“捕獲裝置（陷阱）”。2024年10月，BASE-STEP團隊進行了一次運輸測試，在貨車后部的陷阱裝置中放置了普通物質。12月4日，PUMA團隊計劃將空置的陷阱裝置從德國達姆施塔特工業大學運送至CERN。到達CERN后，團隊會將反物質裝入裝置并開始測試。

在運輸反物質時，物理學家必須用磁性“瓶子”懸浮并冷卻反質子。這些容器利用超導磁體將反質子固定，使其懸浮，從而不接觸容器壁。同時，移動式發電機將為磁體供電，并提供冷卻系統，將反質子保持在約4開爾文（-269°C）的超低溫度下。還有液態氦作為備用冷卻劑。

難題可能是維持高真空環境，以防止反物質與游離的普通物質粒子接觸而湮滅。該過程還需設計一種系統，讓反物質能夠釋放或引入其他材料進行實驗。此外，所有設備都得是可移動的，還能承受運輸過程中產生的震動和力。“我認為這可行，就是難。” Dunlop說。

Obertelli指出，目前尚無關于如何運輸反物質的官方規定。在美國作家Dan Brown 2000年的小說《天使與魔鬼》中，恐怖分子從CERN盜走了四分之一克反物質用于制造炸彈，引發了人們對反物質危險性的擔憂。然而，Obertelli表示，這種擔憂完全沒有必要。他說，即使PUMA計劃運輸的所有反質子同時湮滅，釋放的能量也僅僅相當于一支鉛筆從桌子高度掉落產生的沖擊力，“炸不起來的。”

BASE-STEP團隊在反物質運輸測試中，將陷阱裝載到卡車上。圖片來源：CERN

存在性問題

反物質是在CERN的反質子減速器中制造的。一個質子束撞擊金屬靶，產生快速移動的反質子噴流。然后，減速器通過磁、電場和其他冷卻方法來減慢這些反質子的速度。6個相關實驗減速并捕獲這些粒子。盡管全球其他實驗室也能夠生成反物質，例如通過粒子碰撞，但CERN是唯一能夠制造、存儲并進一步研究這些粒子的地方。

CERN研究反物質的團隊之一BASE合作團隊（BASE-STEP是它的一部分）測量單個反物質粒子的性質，并與普通物質進行比較。他們正在尋找兩者的差異，未來可能解釋某些謎團，例如為何兩種物質在宇宙大爆炸中沒有以相等數量產生——如果它們真的相等，所有物質會在大爆炸后立即湮滅。

“我們正在試圖理解為何我們存在。” BASE-STEP團隊成員Barbara Maria Latacz說。實驗實際上位于一個大型加速器內部，加速器產生了背景噪聲和雜散磁場。團隊希望能將反質子帶到一個安靜的環境來提高測量精度。“這會改寫現在的局面。”Latacz說。

BASE-STEP 的陷阱將包含約 1000 個反質子。圖片來源：CERN

BASE-STEP只研究少量粒子，因而計劃將儲存在1噸的實驗裝置中的約1000個反質子運走。而PUMA計劃則需要大約十億個反質子，其研究團隊希望將反質子運送至CERN的ISOLDE設施（The Isotope mass Separator On-Line facility），研究因衰變太快而無法運輸的罕見的原子核。

洞察核結構

通過將這些原子核注入PUMA的陷阱，研究團隊可以觀察反質子與質子和中子的湮滅。這將為科學家提供關于核結構的獨特洞察，特別是關于某些同位素中形成的中子“外皮”的信息。“這是對此真正敏感的唯一探測器。”Obertelli說，“測量難度極高。”

由于 PUMA 需要容納更多的反質子，并配備用于注入同位素和探測湮滅的設備，其陷阱系統比 BASE-STEP 大得多，總重量達 10 噸。Obertelli 說，重型卡車必須繞行一條曲折的 1.5 公里路線前往 ISOLDE，因為直線路徑上有一個急轉彎和一座無法承受其重量的橋梁。

這兩支團隊必須將多種技術整合到一個實驗中，同時“將其推至極限”， Ina Carli說， 她是加拿大溫哥華TRIUMF粒子物理中心的實驗物理學家，在CERN的ALPHA實驗研究反氫。她說，運輸過程中即使發生小小的故障，也可能導致反質子的損失，而準備下一次嘗試將耗費數周時間。

“我一直以為反質子運輸還要多年才能實現。”Carli說。“我真的很興奮，期待一切順利。”

原文以Elizabeth GibneyAntimatter to be transported outside a lab for first time — in a van標題發表在2024年11月26日《自然》的新聞特寫版塊上

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Doi：10.1038/d41586-024-03841-0

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