物理学家为何钟情于反物质研究——
物理学家正在布置陷阱以捕获反氢，这个反物质的镜像世界中最简单的元素。亚历山大 · 海利曼斯（Alexander Hellemans）认为他们的研究成果将会改变我们对基本粒子以及基本作用力的看法。
CERN（欧洲核子中心）是世界上最领先的高能物理实验室之一，在它的一个角落里，一扇通向反物质世界的大门即将开启。在日内瓦附近的CERN，大约有150名物理学家正在尖端的静电阱、磁铁以及高精度激光的帮助下试图捕获反原子，并且他们还首次把反原子问题提交到科学的议事日程上来了。他们希望回答一个简单而又基本的问题：反物质的行为跟物质不同吗？如果不同，现代物理学的理论基础将会被撼动。布卢明顿印第安纳大学的理论物理学家阿兰 · 科斯特莱育（ALan Kostelecky）说道：“结果将是革命性的。”
虽然到目前为止反原子还鲜为人知，但是对反物质的研究早在60多年之前就已经成为物理学的主流之一。1931年， 诺贝尔奖金获得者、英国人保罗：狄拉克（Paul Dirac）预言了正电子的存在（正电子是一种带有正电荷的电子对应粒子）。此后不久，人们就在宇宙射线撞击大气层时所形成的粒子震射中发现了正电子。从此以后，物理学家认识到每一 种基本粒子都应具有一个相应的反粒子。
标准模型到现在仍是理论物理学家所能提供的用于描述基本粒子及其相互作用的最佳理论模型。标准模型预言：物质和反物质恰好互为“镜”像。这意味着反原子应该具有与原子一样的质量和光谱。倘若CERN的实验结果揭示情况并非如此，那么标准模型就有麻烦了。但是物质和反物质若有稍许不对称，那么它将可能对揭示另一个神秘现象有所帮助。这就是：既然在理论上，大爆炸应该产生等量的可以相互湮灭的物质和反物质，那为什么我们的宇宙现在主要是由物质组成的呢？制造亚原子反粒子还是很容易的。某些不稳定同位衰的放射性衰变自己就能释放正电子；正电子还可以用高能电子轰击原子靶制得。在散射过程中，某些能 量被用来产生正负电子对。同样，当高能质子与中子或其他质子散射时，地可以产生质子一反质子对。真正困难的是，如何把正电子和反质子放在一起形成反氢原子（反氢原子是最简单的反原子）。
欧洲核子中心
1995年，物理学家第一次对反氢原子产生了兴趣。那时，CERN启动了一台被称为低能反质子环（LEAR）的机器。一个由苏黎世核物理研究所的沃尔特 · 欧勒特（Walter 0elert）领导的德国-意大利小组让一股氙原子通过LEAR的反质子束，结果两者相撞产生了正、负电子对，然后有些正电子与反质子结合形成反氢原子。研究人员总计探测到了9个反原子。但是这些，反原子的速度是光速的90%，而且它们是通过用硅制探测器记录下了它们的湮灭过程才被发现的。湮灭发生在反原子产生的40纳秒之内，因而很难对反原子进行测量。欧勒特声称：“我们可以证明反氢原子是存在的。”1996 年，芝加哥附近的费米实验室也做了类似的实验，他们发现了几十个反原子。这项实验证实了欧勒特等人的发现，但是捕获反氢原子的问题仍然没有解决。
施闸制动
为取得进展，物理学家需要减慢反质子和正电子的速度，以让它们几乎静止不动。为此，他们使用电场把反质子和正电子限制在被称为彭宁阱（ Penning trap）的装置中，然后把它们放在一起。90年代中期，CERN决定关闭LEAR，为实验室下一代巨型加速器——大型强子对撞机（LHC） 省下资金。1996 年12月，也就是LEAR关闭前的一个星期，一个由哈佛大学的杰拉尔德 · 盖布里尔斯（Gerald Gabrielse）领导的研究小组在一个单阱里让反质子和正电子结合，但是他们并没有成功地制造出任何反原子。盖布里尔斯说道：“只有大脑不清醒的乐观派才会认为你可以在一个星期内完成这项工作。”这项实验激发的热情以及日本人对坚持工作在反物质领域前沿的巨大愿望，都促使人们决定在LEAR的废墟上建造新的低价设施。1997年，CERN 管理委员会同意建造一台称为反质子减速器（AD）的装置。日本人提供了所需800万瑞士法郎（约合490万美元）中的大部分资金；德国、意大利、丹麦以及波兰也出了一部分钱。去年12月，这台机器制造出了它的第一批反质子。它的运营经费从CERN的中央预算拨发，大约为每年60万瑞士法郎。在CERN今年晚些时候将要下马的大型正负电子对撞机项目和将于2005年开始使用的LHC项目的狭缝中AD还能引起人们对实验活动的关注，所以它花费这些钱实在不算太多。
这台新的机器比起它的前任其一体化程度要高得多。在CERN，反质子是通过发射一束质子得到的，而质子束来自于—台被称为质子同步加速器的装置。这个装置位于铱靶旁边。反质子在进入LEAR之前需要用三个分立的装置来降低它们的速度；但它们却是直接注入到AD，这一周长达90米的存贮环中的。CERN的AD项目负责人斯蒂芬 · 莫瑞（Stephan Manry）说道：“这台机器可以完成所有的事情。”
反质子一旦进入环中，就用一项被称为随机冷却的技术对它们进行减速。减速过程是，仪器首先探测到反质子束的位置，然后发送一个信号穿过此环，再用微波脉冲控制反质子的运动。接着让反质子沿着低能（或“冷”）电子束运动以进一步降低它们的运动速度。这一步的原理跟热交换器的原理类似，它是让“冷”电子从反质子中吸收能量。这样，反质子的速度可以从接近光速的水平降低到只有光速的十分之一。最后它们被送进实验装置中。
合二为一
现在有两个国际协作小组在进行这项研究工作，他们分别是ATHENA （反氢装置小组）和ATRAP （反氢阱小组）。他们的任务是在未来的几个月内努力使正电子和反质子在阱中结合在—起以制造出反氢原子。这项工作将应用到高精度激光分光技术。正电子将来自钠-22的放射性衰变。两个小组都已经开始捕捉反质子了，而且他们正陶醉于这项友谊竞赛之中。CERN的物理学家、ATHENA小组的负责人罗尔夫 · 兰道（Rolf Landua）说：“如果没有竞争，你就会变得懒惰而自满。”除了这两个小组之外，还有第三个小组（ASACUSA 小组），也在进行这项工作。这个由日本和欧洲联合组成的协作小组则另辟蹊径，他们的目标是制造“反质子的”原子——物质与反物质的杂交原子。
ATHENA小组和ATRAP小组将首先让他们的反质子通过一层薄薄的铝箔。在这过程中许多反质子将被湮灭，而那些幸存下来的反质子，其速度已被降低到足够让彭宁阱容纳它们的地步了。装置中含有一些电极，这些电极能产生强度可变的电场。装置内部必须保持高真空，因为混进装置的原子可以湮灭反质子。ATHENA小组计划在让正电子和反质子结合之前把正电子限制在另一个分立的阱中；而ATRAP小组则打算把两种反粒子直接放入同一个阱内。
可是把反质子和正电子结合在一起并不是一件容易的事情。困难在于正电子要与反质子结合就必须要释放足够多的能量给反质子。ATHENA 小组计划发射一束反质子并让它穿过一层浓密的正电子云，以期望某些反质子被粘住而形成反氢原子。虽然只有极少数够大，产生足够多的反原子则不成问题。
与此同时，ATRAP 小组的研究人员将使用“蜂窝形"电场来迫使两种不同类型的反粒子相互靠近，然后再应用各种不同的技术巧妙地让它们结合在一起。其中有一个名为三体复合的技术，它是让一个额外的正电子吸收其同伴能量的；另有一项技术被称为模拟发射法，它使用激光并通过发射光子来释放正电子的能量。ATRAP小组还将应用一项被称为脉冲场复合的新技术，这项由阿姆斯特丹原子与分子物理研究所的巴特 · 诺尔丹（Bart Noordam）发明的新技术使电场降低正电子的速度，这样当电场关闭时，正电子就可以被反质子捕获。最后，ATRAP小组将让反质子与正电子素碰撞（在正电子素中每个“原子”包含一个电子和一个正电子），以期望能用反质子取代某些电子。盖布里尔斯（他也是ATRAP小组的负责人）说道：“ 我现在非常非常小心，就怕自己陷入孤注一掷的境地。”现在，两个小组都对预报近期进展持谨慎态度。盖布里尔斯说：“如果我们今 年能够恢复到在IEAR的进度，我就很高兴了。”但是他又说，如果顺利的话，在年底之前他们有可能制造出少量的反氢原子。
寻找不对称现象
反氢原子不带电，所以它不能用电场来约束。但是反原子的行为与微型磁铁有些类似，为此ATRAP小组e经在研制磁阱了。但是磁阱对反原子的约束只有当用激光或者让反原子云膨胀等方法把反原子冷却到大约只有10 毫升时才有效。ATHENA 的兰道说：“我们打算先产生许多低能反氢原子，然后再进一步研制出磁阱来。”但是他又说，倘若生产冷反氢原子真的非常困难，那么应当有必要去研究反原子束。
但是不论选择哪条路，真实的物理学都将从这里开始。两个小组都想检验标准模型的一个基本原则，即CPT对称。CPT对称是说，物质和反物质应当在三个性质上是严格对立的，它们分别是电荷（C），空间性质宇称（P）和时间方向（T）。 CPT对称意味着原子及其相应的反原子是不能用光谱学方法区分的。调节激光至某一特殊波长，然后用它激发反氢原子并观察正电子从一个能级向另一个能级“跃迁”时所发的光。物理学家正是用这种方法确定氢原子和反氢原子的光谱是否相同的。如果它们确实不同，那么理论物理学家就又有事情可做了。
ATRAP小组计划检验从1S态到2S态的能级跃迁。直接检测这一跃迁是十分困难的事情，但是研究工作可以通过它与赖曼跃迁（从1S态跃迁到2P态）之间的相互作用来进行。赖曼跃迁的发生波长为121. 56纳米。由赖曼光激发的原子或反原子在返回基态（1S态）之前仅延时1. 6纳米。在这过程中，他们还发射质子以产生可以检测的荧光。但是赖曼跃迁自身并不能用于区分原子与反原子，因为它的延迟时间太短了。另外赖曼跃迁是一个量子效应，所以它只能在一定的波长范围内发生。
然而，原子从1S态向2S态跃迁后要延时122纳秒才返回1S态。用两束激光（一束为赖曼光，另一束波长大约为243纳米）照射反氢原子或氢原子样品。这样就可以很精确地检测到跃迁过程。当样品中的大多数原子或反原子被第二束激光激发到2S态时，就很少有电子或正电子在1S态上了。因而在这些电子或正电子回到基态之前，很难发生赖曼跃迁。而一旦赖曼跃迁不能发生，赖曼荧光强度就会显著下降。所以通过精确调节243纳米激光的波长，并精确确定光强下降所发生的时间，应该有可能精确地测量到1S态至2S态跃迁的波长。
可是长期以来，物理学家一直为缺少这样一台能在赖曼波长下连续工作的激光器而发愁。幸运的是，最近德国马克思 · 普朗克量子光学研究所的西奥多汉斯（Theodor Hänsch）及其同事发明了一台能够胜任此项工作的激光器。
ATHENA小组的研究将要利用这样一个事实，即反氢原子在湮灭时很容易被检测到。这个小组计划用激光束激发阱中的反原子以改变它们的磁取向。磁取向的改变将导致一部分反原子会被排出阱外与物质接触从而被湮灭。通过调节激光的波长，应该可以找到产生最大激发的确切波长。同样，如果氢原子和反氢原子的这一波长不同，那么就会破坏CPT对称。
另外，考察反氢原子的引力效应也是可行的。根据等效原理（它是广义相对论的一部分）， 物质和反物质对引力场的响应应该是一样的。广义相对论还预言如果引力场发生变化，原子光谱将会有稍许偏移。地球的公转轨道是椭圆形的，这意味着我们所感受到的太阳引力是随着季节的更替而发生微弱变化的。如果氢原子光谱和反氢原子光谱对这一变化有不同响应，那将破坏等效原理。
对反物质的研究可能会推翻一些主要的物理理论，甚至它还有可能为我们长期所追求的量子引力理论指明方向。所以这一 一研究领域吸引了一大批物理学家。科斯特莱奇动情地说道：“如果 他们找到了氢原子与反氢原子的差别，那么它将激起一轮新的研究狂潮。”
[Nature， 2000 年8月10 日]