2021年3月31日，日内瓦，欧洲核子研究组织(CERN)的ALPHA已成功使用激光冷却了氢原子-最简单的原子反物质形式。这种技术被称为激光冷却，是40年前在正常物质上首次被证明的，并且是许多研究领域的支柱。今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了ALPHA首次将其应用于抗氢 ，这为更精确地测量抗氢的内部结构及其在重力作用下的行为提供了可能。将此类测量结果与经过深入研究的氢原子的测量结果进行比较，可能会发现物质原子与反物质原子之间的差异。这种差异(如果存在)可以阐明为什么宇宙仅由物质组成，这种不平衡称为物质-反物质不对称。
ALPHA说：“激光冷却抗氢原子的能力改变了光谱和引力测量的游戏规则，并且可能导致反物质研究的新观点，例如反物质分子的产生和反原子干涉仪的发展。”发言人Jeffrey Hangst。“我们在月球上。大约十年前，反物质的激光冷却已成为科幻小说的领域。”
ALPHA实验的视图 (图片来源：CERN)
在ALPHA团队使得通过从CERN的服用反质子反氢原子 反质子减速器和从钠- 22源与正电子始发结合它们。然后将所得的抗氢原子限制在磁阱中，这可防止它们与物质接触并and灭。接下来，研究小组通常进行光谱研究，即测量反原子对电磁辐射(激光或微波)的响应。这些研究使研究小组能够以前所未有的精度测量反氢中1S-2S的电子跃迁。然而，在正在进行的实验中，这种光谱测量的精确度以及计划中的将来在地球重力场中反氢的行为的测量的精确度受到反原子的动能或温度的限制。
这就是激光冷却的地方。在这种技术中，激光光子被原子吸收，从而使它们达到更高的能量状态。然后，反原子发射光子，并自发衰减回到其初始状态。由于相互作用取决于原子的速度，并且随着光子传递动量，因此多次重复此吸收-发射循环会导致原子冷却至低温。
在他们的新研究中，ALPHA研究人员能够通过反复将反原子从原子的最低能态(1S态)转换为更高能态(2P)来对磁性俘获的反氢原子进行激光冷却。使用脉冲激光的频率略低于两个状态之间的转换频率。在照射被俘获的原子数小时后，研究人员观察到原子的中值动能下降了十倍以上，许多反原子的能量都低于微电子伏特(约等于绝对温度零值以上0.012度)。
成功地对原子进行了激光冷却后，研究人员研究了激光冷却如何影响1S–2S跃迁的光谱测量，发现该冷却导致该跃迁的光谱线更窄-比未观察到的光谱线窄约四倍。激光冷却。
“我们演示了抗氢原子的激光冷却技术及其在1S-2S光谱学中的应用，代表了欧洲核子研究组织(CERN)反质子减速器多年反物质研究和开发的高潮。这是迄今为止我们完成过的最困难的实验。” Hangst说。
“从历史上看，研究人员一直在努力对普通氢进行激光冷却，因此多年来对我们来说这一直是一个疯狂的梦想，”藤原诚说，他是使用脉冲激光来冷却被捕集的氢的想法的第一个支持者。 Α。“现在，我们可以梦想拥有反物质甚至更疯狂的东西。”