CERN 反氫原子測量大躍進：ALPHA 實驗冷卻技術發威 捕捉量創新高

想像一下，你面前有一部超級精準嘅「宇宙磅」，一邊放住構成我哋萬物嘅「物質」，另一邊放住佢嘅孖生兄弟「反物質」。理論上，宇宙大爆炸嗰陣產生嘅物質同反物質應該係一樣咁多，但奇怪嘅係，我哋今日見到嘅宇宙幾乎清一色都係物質。到底嗰啲消失咗嘅反物質去咗邊？呢個謎團一直困擾住物理學界。

最近，歐洲核子研究組織（CERN）嘅 ALPHA 實驗團隊喺反物質研究上取得咗重大突破，令我哋距離解開呢個宇宙終極謎團又近咗一大步。佢哋唔單止破紀錄咁成功捕捉到超過 15,000 粒反氫原子，更將反氫原子內部一個極之關鍵嘅能量差距——「超精細分裂」，量度到前所未有的精準度。

咩係「超精細分裂」？點解咁重要？

要理解呢項突破，我哋首先要認識下反氫原子。佢係最簡單嘅反物質原子，結構同普通氫原子一樣，只係核心嘅質子換成咗反質子，外面環繞嘅電子換成咗正電子。

而所謂嘅「超精細分裂」（Hyperfine Splitting），係指原子內部反質子同正電子之間，因為磁場相互作用而產生嘅一個極之微小嘅能量差距。喺普通氫原子入面，呢個差距會產生天文學家用嚟觀測宇宙嘅著名「21 厘米線」。科學家對普通氫原子呢個差距嘅量度，精準度已經做到好過一萬億分之一。

如果我哋可以同樣精準咁量度到反氫原子嘅超精細分裂，就可以直接比較物質同反物質嘅特性係咪完全一致。呢個比較係驗證「CPT 對稱」（即係電荷、空間同時間同時反轉，物理定律都保持不變嘅基本原則）以及「量子電動力學」（描述光同帶電粒子點樣互動嘅理論）嘅終極測試。

四年磨一劍：精準度由 400 ppm 大跳到 4 ppm

ALPHA 團隊喺 2017 年第一次成功量度到反氫原子嘅超精細分裂，當時嘅精準度係 400 ppm（百萬分之四百）。事隔多年，佢哋喺 2026 年 5 月 27 號公布咗最新結果，一舉將精準度推高到 4 ppm（百萬分之四） ，足足係百倍嘅躍升！呢個結果亦已經發表喺頂尖科學期刊《自然》上。

呢個級別嘅精準度，令科學家終於可以開始認真咁去檢驗 CPT 對稱，睇下反物質世界會唔會同我哋熟識嘅物質世界有啲微妙嘅唔同，從而解釋點解宇宙會變成今日咁樣。

幕後功臣：同情冷卻技術同鈹離子

能夠做到呢個百倍精準度嘅飛躍，背後全靠另一項喺 2025 年 11 月公布嘅生產技術大突破。長期以嚟，點樣有效咁冷卻正電子，係製造同捕捉反氫原子嘅最大樽頸位。正電子溫度唔夠低，就好難同反質子結合形成穩定、可以被捕捉嘅反氫原子。

ALPHA 團隊諗到一個聰明嘅辦法，叫做 「同情冷卻」 （Sympathetic Cooling）。佢哋引入咗一種叫鈹離子（Be⁺）嘅「幫手」，先用波長 313 納米嘅激光將佢哋冷卻到極低溫。然後，將呢啲已經凍冰冰嘅鈹離子同相對「熱辣辣」嘅正電子群放埋一齊，透過佢哋之間嘅庫侖力（即係電荷之間嘅相互作用力）去交換能量，鈹離子就會好似「吸熱海綿」咁，帶走正電子嘅熱能。

就係靠呢個方法，團隊成功將正電子嘅溫度冷卻到 低過 10 K（開爾文） ，甚至直接量度到 低過 7 K 嘅溫度。10 K 即係攝氏零下 263 度，非常接近物理學上嘅絕對零度（-273.15°C）！

效率狂升廿倍：七個鐘捕捉超過 15,000 粒反物質原子

低溫嘅正電子，令反氫原子嘅產生效率同捕捉率都幾何級咁提升。靠住呢項新技術，ALPHA 團隊而家可以喺 唔使七個鐘頭之內，積累超過 15,000 粒反氫原子。

呢個數字到底有幾誇張？回望返 2010 年，ALPHA 每個實驗週期平均只係捉到大約 0.1 粒反氫原子。到咗 2024 年，呢個數字已經增長到每個週期約 160 粒。而同情冷卻技術嘅出現，令捕捉率比起以前嘅方法一下子提升咗足足八倍，比起舊紀錄更加係超過廿倍嘅增長。

產量大增嘅直接好處，就係提供咗海量嘅反氫原子樣本，令到精密激光同微波光譜測量有咗強大嘅統計基礎，可以將量度嘅不確定性大幅降低。以往因為樣本太少而冇可能做嘅系統性研究，而家都變得可行。

下一站：萬億分之一嘅終極對稱測試

ALPHA 今次係一個「雙喜臨門」嘅重大突破：一方面係反氫原子產量創歷史新高，另一方面係超精細分裂量度精準度大幅躍升。兩者相輔相成，為 ALPHA 實驗鋪設咗一條清晰嘅道路，就係向住萬億分之一（ppt）級別嘅 CPT 對稱測試進發。

喺呢個極致精密度嘅領域，理論物理學家預測，標準模型（我哋目前描述宇宙基本粒子同作用力嘅最佳理論）嘅任何微小裂痕都可能現形。到時，我哋就可能終於搵到線索，去解釋宇宙點解會係今日呢個充滿物質，但幾乎唔見反物質嘅模樣。