反氢原子的光谱
氢原子的光谱是众所周知的了。它由电子轨道能级跃迁产生的一系列能级构成，每道谱线都有着特定且唯一的频率，它们的存在就是元素本身存在的最佳证明，因此无论是在天文学还是物理学中都极具实用性。不过氢的反物质对应体——反氢原子的情况又如何？
氢原子光谱的各个线系。（图片来源：Wikipedia）
按照粒子物理学的标准模型，反物质的光谱应该与它们的物质对应体特征相同。倘或二者出现了差异，无论差异有多么的微小，都将打开新物理的窗口，并为理解宇宙中物质与反物质的失衡带来重要线索。上个月中下旬，欧洲核子研究中心（CERN）反质子减速装置的ALPHA反物质实验第一次以高精度证实，至少对于最低能级的1S-2S跃迁而言，反氢的光谱在误差允许范围内与普通氢原子完全相同。
这并非CERN第一次阵对反氢原子开展研究。实际上，早在20多年前，CERN的研究者就率先使用加速器产生了第一批反氢原子。2012年，ALPHA实验观测到了反氢的精细结构跃迁。2013年，ATRAP实验直接测定了反质子的磁矩。2014年，ALPHA第一次以10-8的高精度测量到了反氢总量为0的净电荷。2015年，BASE实验给出了反质子的荷质比。去年早些时候，ASACUSA实验精确敲定了反质子和正电子的质量比。而去年年底发表的这项结果不过是先前工作的延续而已，它进一步说明了正反物质完全的对称性以及CPT对称的成立，物理意义深远。
ALPHA实验插入低温设备中的彭宁阱，它的作用是通过磁场束缚反氢原子。（图片提供：Niels Madsen）
由于正反物质一旦接触就会发生湮灭，二者完全摧毁，只留下以光子形式存在的能量，因此为了保存得之不易的反氢原子，ALPHA团队自2010年起开发了低温、超真空加上磁阱的环境，借助原子自身微弱的磁性来束缚它们，现在反物质在其中最长的储存时间达到了10分钟，这样研究者就有了充足的时间对它们进行所需的操作。
整个过程始于反氢原子的生成，其中的正电子来自放射性同位素的衰变，反质子则由专用的反质子减速器提供，二者混合后转化为中性反原子。ALPHA实验每批可以产生大约25000个反氢原子，耗时15分钟。不过这些反原子能被ALPHA超导多极磁阱束缚的前提是诞生时即具备足够慢的运动速度，动能不足0.5 K，所以在叠合两个混合循环生成的反氢之后，平均每次只能保留其中的14个后续实验用。这一数字看上去很小，但已经是比数年前改善10多倍了。筛选低能反原子也是实验中最棘手也是最耗时的部分。
艺术家笔下束缚在磁场中的反氢原子群。（图片提供：CERN/Chukman So）
反氢光谱的测量是通过发射波长243纳米的激光，向反氢原子注入能量并让其中的正电子发生跃迁而实现的。之所以选择1S-2S跃迁线作为测量对象，是因为该谱线因能级寿命较长而有着较窄的线宽，所以宜于精密测量。在ALPHA这样的强磁场环境下，氢原子的1S-2S跃迁线会分裂成频率在2.466×1015千赫兹上下的两条精细结构谱线，线距与磁场强度相关。测量发现，反氢的行为与普通氢原子别无二致，这说明在2×10-10的精度上，CPT不变性是成立的。所以虽然CERN的这项新发现并未推翻标准模型的预言，但还是颇让人兴奋。
氢原子（与反氢原子）在磁场环境下理论上的谱线结构。（图片来源：Ahmadi et al. 2016）
接下来ALPHA合作组计划使用更多类型的激光照射反氢束，研究反氢更多的谱线。而CERN的ATRAP、ASACUSA和BASE实验组也在同ALPHA彼此竞争，测量反物质的各个方面。此外，今年即将全面投入使用的ELENA减速环也有望凭借数十倍于前任的减速能力助推反物质研究，新AEGIS和GBAR实验也将第一次探讨重力对反物质的影响。在揭秘反物质的漫漫长路上，还有很多细节等待实验家的挖掘探索。
