正反物质混合原子在超流体中出现反常现象

普通氦原子的原子核含有两个质子、两个中子，其外层轨道含有两个电子。(Shutterstock)

欧洲核研究组织(CERN)的低速反质子原子光谱和碰撞(ASACUSA)实验产生了一种正物质和反物质混合的氦原子，并发现这种原子在低温液氦环境中，对激光的反应与普通原子差异很大。

ASACUSA项目组发言人马斯基·霍利(Masaki Hori)说：“我们的研究说明，正反物质混合的氦原子在粒子物理以外还有很多用途。可以说，我们已经迈出了使用反质子研究凝聚态物质的第一步。”

按照物理学标准粒子模型的认知，任何物质都存在与之对应的反物质，除了所带电荷相反之外，其它属性完全相同。比如，质子带正电，反质子带负电，但是其它属性相同。

产生同时含有正反物质的混合原子是ASACUSA项目的核心任务之一。研究人员用CERN的反质子减速器(Antiproton Decelerator)向低温氦气发射反质子束。多数反质子一旦遇到周围的物质，立即就会互相抵消，也叫“湮灭”，但是一小部分进入氦原子与之结合，每个反质子替换掉原来绕着氦原子核运转的两个电子中的一个，从而产生这种正反物质混合的特殊原子。

研究人员通过测量混合原子对激光的反应研究它们的光谱，从而研究反物质粒子的质量。气体的密度和温度对反物质研究起到重要的作用。研究称，如果气体密度较高，产生的光谱范围太宽、甚至有些模糊，不利于研究人员探查反质子与电子质量之间的差异。

霍利说：“在此之前，液态物质内含有的反物质都无法用激光进行高分辨率的研究。”

而这次的实验看到了反常的现象：当研究人员把氦气的温度不断降低的时候，氦气成为液体，其密度比气体状态下大得多，却看到了反质子光谱宽度变窄的反常现象。

不仅如此，当研究人员继续降低温度，降到低于2.2开尔文，也就是非常接近绝对零度的时候，看到反质子的谱线更是突然大幅度地变窄。研究介绍说，这个温度点是液氦成为超流体的临界温度。超流体是液体一种奇特的状态，完全缺乏黏性，摩擦力为零。如果把超流体置于环形容器中，它可以无止尽地流动。

研究者之一安娜·索特(Anna Sótér)说：“这个现象出乎意料。液氦超流体内的混合氦原子对激光的光谱反应，与高密度气态氦内同样的混合原子的反应，以及流体或超流体内其它普通原子的反应差异都很大。”

研究称，这项发现打开了很多新的研究领域。首先，研究人员可以造出其它混合原子，比如介子氦原子(pionic helium atom)通过观测它们在超流体内的行为测量这些粒子的质量;其次，混合氦原子在液氦超流体内光谱显着变窄的特性，可用于对这种物质和其它凝聚态物质进行更详尽的研究;最后，混合原子的这一光谱特性可用于在太空或高空气球内的低温实验室内寻找像反质子和反氘核等粒子。

这份研究3月16日发表于《自然》(Nature)期刊。