歐洲核子研究組織（CERN）的科學家們，剛剛首次通過激光實現了反物質的冷卻。這項里程碑式的成果，或有助於揭開反物質的神秘面紗，尤其是它為何在「大爆炸」之後不久，便在宇宙中消散於無形。此外與難以捉摸的暗物質不同，反物質至少對我們來說還顯得更「有形」一些，且近年來已經得到了隔離、產生和檢驗。
研究配圖 – 1：ALPHA-2 裝置示意圖與反氫能級
簡單理論的設想是，反物質與正常物質帶有相反的電荷，若一定數量的兩者互相接觸，則可能在湮滅時爆發出巨大的能量。正因如此，反物質的存儲和運輸也變得相當棘手，更別提對其展開深入的了解。
慶幸的是，過去十年時間里，CERN 科學家們一直在努力開發更好用的容器。這些容器主要利用電磁作用，讓反物質在真空中懸浮更長的時間。從幾秒之一秒到幾分鍾，甚至超過一年。
研究配圖 – 2：激光冷卻反氫的譜線形狀與 TOF 分布
如此一來，科學家們就能夠通過多種方式來研究反物質，比如它的光譜、及其與重力的相互作用。所有這些的主要目的，就是研究電荷是否是物質與反物質之間的唯一區別。
此外還有另一個問題，即研究人員難以在溫度較高的「嘈雜」環境中，對反物質展開更精確的測量。
研究配圖 – 3：激光冷卻 / 加熱反氫的橫向動能分布（TOF 重構）
好消息是，CERN 旗下 ALPHA 研究團隊的工作人員，已經成功地藉助激光來冷卻反氫原子。此前這項技術已普遍運用於常規物質，但這次卻是我們首次見到它被運用於反物質。
可知原子（或反原子）能夠吸收激光的光子能量，將之短暫推向更高的能級，不久後再次發射光子、並衰減至較低的能級。由於光子可傳遞動量，科學家們便可利用此循環，讓原子逐漸減速。
研究配圖 – 4：實驗中冷熱原子的譜線比較
為實現這一點，ALPHA 研究團隊還使用了專為反氫而設計的脈沖激光，且頻率剛好處在「低於其最低的能量狀態」和向「較高的能量狀態」轉變之間。
通過數小時的努力，研究人員發現它們的（中值）動能下降到了初始值的 1/10 左右，溫度也冷卻到了 0.012K（僅略高於始終無法達到的絕對零度）。
研究配圖 – 5：從 1S-2S 能級躍遷的譜線記錄
完成這項任務之後，研究團隊繼續發現，由激光冷卻的反氫的光譜線，只有通常的 1/4 窄，表明了該技術有利於科學家對反物質展開更精確的測量，進而幫助我們深入了解反物質與常規物質的區別。
CERN cools antimatter using laser light for the first time（via）
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原標題為《Laser cooling of antihydrogen atoms》。
來源：cnBeta
