这张图显示了反氢原子在一个磁阱中下落并湮灭，这是欧洲核子研究中心测量重力对反物质影响的ALPHA-g实验的一部分。资料来源:美国国家科学基金会

欧洲核子研究中心里程碑式的实验可能有助于解释为什么反物质似乎在早期宇宙中消失了。

如果你把反物质扔下去，它会朝下还是朝上?在一个独特的实验室实验中，研究人员现在已经观察到单个反氢原子的下降路径，提供了一个明确的答案:反物质下降。

在确认反物质和常规物质是引力吸引的同时，这一发现也排除了引力排斥是反物质在可观测宇宙中大量消失的原因。

来自瑞士欧洲核子研究中心(CERN)国际反氢激光物理装置(ALPHA)合作项目的研究人员今天在《自然》杂志上发表了他们的研究结果，这项研究得到了十几个国家和私人机构的支持，其中包括美国，通过美国国家科学基金会/能源部合作的基础等离子体科学与工程项目。

“ALPHA合作的成功证明了跨大洲和科学界合作的重要性，”国家科学基金会物理部的项目主任Vyacheslav“Slava”Lukin说。“了解反物质的本质不仅可以帮助我们理解我们的宇宙是如何形成的，还可以实现以前从未想过的创新——比如正电子发射断层扫描(PET)扫描，它通过应用我们对反物质的了解来检测体内的癌症肿瘤，挽救了许多生命。”

反氢激光物理装置(ALPHA)合作是一个在欧洲核子研究中心研究反氢原子的国际小组，旨在了解物质和反物质之间的基本对称性。研究人员宣布了一项旨在了解引力对反物质影响的实验的突破性结果。资料来源:美国国家科学基金会

物质的捉摸不定的孪生兄弟

除了想象中的反物质燃料曲速引擎和《星际迷航》中的光子鱼雷之外，反物质是完全真实的，但却神秘地稀缺。

“爱因斯坦的广义相对论认为反物质的行为应该和物质完全一样，”加州大学伯克利分校等离子体物理学家和ALPHA合作成员Jonathan Wurtele说。“许多间接测量表明，引力与反物质的相互作用正如预期的那样，”他补充说，“但直到今天的结果，还没有人真正进行了直接观察，可以排除，例如，反氢在引力场中向上运动而不是向下运动。”

我们的身体、地球，以及科学家们所知道的宇宙中的大多数其他东西，绝大多数都是由质子、中子和电子组成的规则物质构成的，就像氧原子、碳原子、铁原子和元素周期表上的其他元素一样。

反物质，另一方面，是常规物质的孪生兄弟，尽管有一些相反的性质。例如，反质子带负电荷，而质子带正电荷。反电子(也称为正电子)带正电，而电子带负电。

凯文·m·琼斯是美国国家科学基金会物理部的项目经理，也是威廉姆斯学院的威廉·爱德华·麦克尔fresh物理学名誉教授，他简要介绍了什么是反物质，以及研究反物质的总体价值。资料来源:美国国家科学基金会

然而，对于实验人员来说，最具挑战性的可能是，“一旦反物质接触到物质，它就会爆炸，”ALPHA合作成员、加州大学伯克利分校等离子体物理学家乔尔·法扬斯说。

物质和反物质的结合质量在一种如此强大的反应中完全转化为能量，科学家称之为湮灭。

“对于给定的质量，这样的湮灭是我们所知道的最密集的能量释放形式，”Fajans补充道。

但是，在ALPHA实验中使用的反物质的数量是如此之少，以至于只有敏感的探测器才能察觉到反物质/物质湮灭所产生的能量。

“尽管如此，我们必须非常小心地操纵反物质，否则我们就会失去它，”法扬斯说。

一个艺术家的概念渲染反氢原子包含在α -g装置的磁阱。当磁阱顶部和底部的磁场强度降低时，反氢原子就会逸出，接触腔壁并湮灭。大部分的湮灭发生在腔室下面，这表明重力正在把反氢往下拉。动画中旋转的磁场线表示磁场对反氢的无形影响。在实际实验中，磁场是不旋转的。资料来源:李凯依“缟玛瑙”/美国国家科学基金会

滴一个反物质爆炸

“总的来说，我们正在制造反物质，我们正在做一个比萨斜塔式的实验，”Wurtele说，他指的是他们的实验更简单的智力祖先，伽利略在16世纪进行的实验，该实验证明了两个体积相似但质量不同的物体同时下落时的相同重力加速度。“我们让反物质离开，看看它是上升还是下降。”

在ALPHA实验中，反氢被包含在一个带有可变磁阱的高圆柱形真空室中，称为ALPHA-g。科学家们降低了陷阱顶部和底部磁场的强度，直到反氢原子能够逃脱，重力的相对微弱的影响变得明显。

当每个反氢原子逃离磁阱时，它会接触到磁阱上方或下方的腔壁并湮灭，科学家们可以探测和计数。

研究人员重复了十几次实验，改变了陷阱顶部和底部的磁场强度，以排除可能的错误。他们观察到，当减弱的磁场在顶部和底部精确平衡时，大约80%的反氢原子在陷阱下湮灭——这个结果与在相同条件下正常氢云的行为一致。

因此，重力导致反氢下降。

物质/反物质之谜

尽管反物质的来源不多，比如钾衰变释放出的正电子，甚至在香蕉中也有，但科学家们在宇宙中并没有看到太多的反物质。然而，物理定律预测反物质的数量应该与正常物质大致相等。科学家称这个难题为重子发生问题。

一种可能的解释是，在大爆炸期间，反物质受到了常规物质的引力排斥，尽管新的发现表明，这一理论似乎不再可信。

“我们已经排除了反物质被引力排斥而不是被吸引的可能性，”Wurtele说。他补充说，这并不意味着反物质的引力没有区别。只有更精确的测量才能告诉我们答案。

ALPHA合作研究人员将继续探索反氢的性质。除了改进他们对重力效应的测量，他们还通过光谱学研究反氢如何与电磁辐射相互作用。

“如果反氢在某种程度上与氢不同，那将是一件革命性的事情，因为物理定律，无论是量子力学还是引力，都认为它们的行为应该是相同的，”Wurtele说。“然而，只有做了实验才能知道。”

欲了解更多关于这一发现的信息:开创性的欧洲核子研究中心实验揭示了重力对反氢的吸引力

参考:“观测反物质的重力对运动的影响”的e·k·安德森,c·j·贝克,w . Bertsche n . m . Bhatt g . Bonomi a .·卡普拉Carli, c·l·塞萨尔·m·查尔顿,a·克里斯滕森r . Collister a Cridland Mathad, d . Duque Quiceno,埃里克森,埃文斯,n . Evetts s Fabbri j . Fajans a . Ferwerda t·弗m . c .藤原d·r·吉尔·l·m·Golino m·b·戈梅斯Goncalves p . Grandemange p .叶绿体基粒,j . s .汉斯特·m·e·海登·d·哈吉金森,e·d·亨特,c·a·艾萨克A. J. U.希门尼斯，M. A.约翰逊，J. M.琼斯，S. A.琼斯，S.琼塞尔，A.赫拉莫夫，N.马德森，L.马丁，N.马萨克雷特，D.麦克斯韦，J. T. K.麦肯纳，S.梅纳里，T.莫莫斯，M.莫斯坦曼，P. S.穆兰，J.诺塔，K.奥尔钱斯基，A. N.奥利维拉，J.佩兹卡，A.鲍威尔，C. ?。Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, J. Schoonwater, D. M. Silveira, J. Singh, G. Smith, C. So, S. Stracka, G. Stutter, T. D. Tharp, K. A. Thompson, R. I. Thompson, E. Thorpe-Woods, C. Torkzaban, M. Urioni, P. Woosaree和J. S. Wurtele, 2023年9月27日，《自然》DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06527 - 1