新反物质陷阱可以帮助解释为什么宇宙不会自我毁灭

反物质是主宰我们周围世界的常规物质的“邪恶双胞胎”。两者的主要区别是它的粒子跟普通粒子的电荷相反，但这个简单的变化却有一个主要的含义–如果物质和反物质粒子相遇它们会在能量爆发中相互湮灭。

幸运的是，反物质在今天的宇宙中极其罕见，但科学家不确定为什么会这样。根据标准模型，大爆炸应该产生了等量的物质和反物质，然后它们应该在真正开始前相撞并消灭了宇宙的大部分内容。我们现在在这里质疑它的事实表明，这并没有发生，但什么使天平向物质倾斜仍是科学上最令人困惑的谜团之一。

遗憾的是，反物质的稀有性和不稳定性使得研究这个问题变得困难。它只能在大型强子对撞机(Large Hadron Collider)等设备中以极少量的量产生。在这些设备中，粒子被粉碎在一起从而产生物质和反物质粒子对。然后反物质就很难储存，显然你不能把反物质放在罐子里，因为反物质一接触到物质就会突然消失。

因此，科学家们将反物质储存在所谓的潘宁陷阱(Penning trap)中，这种陷阱通过利用电磁场将粒子和反粒子悬浮在真空中。这些样品通常被冷却到极低的温度以减少噪音，但通常用于物质的技术很难应用于反物质。现在，CERN的研究人员已经开发出一种用于冷却反物质的新型捕集器，它增加了反物质实验可用的样本大小并提高了测量的精度。

激光冷却是一种领先的技术，本质上说，当一个原子被激光束击中时，它吸收并重新释放光子，这改变了它的动量。尽管CERN的另一个项目最近在该领域取得了突破，但很难让反物质直接响应这种方法。相反，反物质可以通过激光冷却附近的离子间接冷却，然后吸收反物质粒子的热量。不过问题又回到了把物质和反物质放在同一个陷阱里。

为此，在新版本中，CERN的BASE科学家们用了一个3.5英寸的超导谐振电路连接了两个潘宁陷阱–一个含有一团铍离子，而另一个则含有一个反质子。当铍被激光冷却时，能量从反质子转移到离子，然后通过电路，从而冷却反质子。

研究团队表示，这种方法可以比通常更快地将样品冷却到更低的温度。

“这是精密潘宁陷阱光谱学的一个重要里程碑，”该研究的论文作者之一Christian Smorra说道，“通过优化程序，我们应该能达到20到50毫李克文(mK)量级的粒子温度，理想情况下冷却时间是10秒量级。之前的方法可以让我们在10小时内达到100兆瓦。”

这为更精确的测量铺平了道路，而更精确的测量反过来可以解释为什么宇宙中反物质如此之少。人们认为，电荷是物质和反物质之间唯一真正的区别（）以及量子数的细微变化），但最好不要依赖假设。科学家们正在研究反物质的一些基本属性，并将它们跟其他物质进行比较–如果有什么不同的话，它可能是解开整个谜团的关键。

“我们的愿景是不断提高物质-反物质比较的精度以更好地理解宇宙物质-反物质的不对称性，”该研究的论文作者之一Stefan Ulmer说道，“这项新开发的技术将成为这些实验的关键方法，这些实验旨在在万亿次水平测量基本反物质常数。”