反物质出门坐车，需要分几步？ |《自然》长文

原文作者：Elizabeth Gibney

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这种不稳定的物质将被装载到卡车中，穿越欧洲核子研究中心（CERN）园区，运送到不同设施，为科学家提供更多研究它的机会。

PUMA实验（反质子不稳定物质湮灭，antiProton Unstable Matter Annihilation）是一个紧凑型实验，旨在将反质子从CERN的反物质工厂运送到实验室的ISOLDE设施。图片来源：Maximilien Brice/CERN (CC-BY-4.0)

两支来自欧洲核子研究中心（CERN）的物理学团队，正在竞速完成一项非凡的壮举：首次运输反物质。反物质是普通物质的镜像，极难制造且寿命极短——在与普通物质接触的瞬间就会湮灭。其中一支团队希望将反物质转移，以便进行更精确的研究，另一支团队则计划利用反物质进行前所未有的首次材料探测实验。

“如果实现了，将开启无数新机遇。”美国纽约州布鲁克海文国家实验室 的物理学家 James Dunlop说，他的研究涉及在纳秒尺度上观察反物质。

每一个物质粒子都有一个与之相对应的反粒子：是它的镜像，带有相反的电荷。物理学家认为，在宇宙大爆炸期间，宇宙中产生了等量的物质和反物质。但是，如今的宇宙却几乎完全由普通物质组成，这仍是一个未解之谜。

反物质在地球上价值连城——制造一克的成本可达数万亿美元。位于瑞士日内瓦附近的CERN是世界上唯一一个能制造慢速反粒子的地方，这些反粒子来得及被捕捉和储存，并有望在不湮灭的情况下被运输出去。CERN的两个项目，PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) 和BASE-STEP，正计划将反物质运往其他实验室，预计在今年实现。

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反物质运输

两支团队运送反物质的目标有所不同。BASE-STEP项目团队计划将反质子，即质子的反粒子，运送到一个无实验噪声的环境中，以进行更细致的研究。而PUMA则计划将反质子运送到一个也生产其他短寿命物质的科学装置中，利用反物质探测它们的原子核结构。

两项计划的首次运输都只需几小时，仅限于CERN科学园区内部。但团队以后希望进行更长距离的运输，送到欧洲的各个大学，让更多实验室有机会研究反物质。BASE-STEP项目团队的目标是将反质子运送到约700公里外的德国杜塞尔多夫的海因里希·海涅大学，该团队的一部分成员就在该大学工作。

此类运输服务“将有助于反物质使用及研究的普及”，德国达姆施塔特工业大学的物理学家、PUMA项目的设计者Alexandre Obertelli说。

捕获反质子

为了在运输过程中存储反质子，研究人员花费了数年时间研发专用的“捕获装置（陷阱）”。2024年10月，BASE-STEP团队进行了一次运输测试，在货车后部的陷阱装置中放置了普通物质。12月4日，PUMA团队计划将空置的陷阱装置从德国达姆施塔特工业大学运送至CERN。到达CERN后，团队会将反物质装入装置并开始测试。

在运输反物质时，物理学家必须用磁性“瓶子”悬浮并冷却反质子。这些容器利用超导磁体将反质子固定，使其悬浮，从而不接触容器壁。同时，移动式发电机将为磁体供电，并提供冷却系统，将反质子保持在约4开尔文（-269°C）的超低温度下。还有液态氦作为备用冷却剂。

难题可能是维持高真空环境，以防止反物质与游离的普通物质粒子接触而湮灭。该过程还需设计一种系统，让反物质能够释放或引入其他材料进行实验。此外，所有设备都得是可移动的，还能承受运输过程中产生的震动和力。“我认为这可行，就是难。” Dunlop说。

Obertelli指出，目前尚无关于如何运输反物质的官方规定。在美国作家Dan Brown 2000年的小说《天使与魔鬼》中，恐怖分子从CERN盗走了四分之一克反物质用于制造炸弹，引发了人们对反物质危险性的担忧。然而，Obertelli表示，这种担忧完全没有必要。他说，即使PUMA计划运输的所有反质子同时湮灭，释放的能量也仅仅相当于一支铅笔从桌子高度掉落产生的冲击力，“炸不起来的。”

BASE-STEP团队在反物质运输测试中，将陷阱装载到卡车上。图片来源：CERN

存在性问题

反物质是在CERN的反质子减速器中制造的。一个质子束撞击金属靶，产生快速移动的反质子喷流。然后，减速器通过磁、电场和其他冷却方法来减慢这些反质子的速度。6个相关实验减速并捕获这些粒子。尽管全球其他实验室也能够生成反物质，例如通过粒子碰撞，但CERN是唯一能够制造、存储并进一步研究这些粒子的地方。

CERN研究反物质的团队之一BASE合作团队（BASE-STEP是它的一部分）测量单个反物质粒子的性质，并与普通物质进行比较。他们正在寻找两者的差异，未来可能解释某些谜团，例如为何两种物质在宇宙大爆炸中没有以相等数量产生——如果它们真的相等，所有物质会在大爆炸后立即湮灭。

“我们正在试图理解为何我们存在。” BASE-STEP团队成员Barbara Maria Latacz说。实验实际上位于一个大型加速器内部，加速器产生了背景噪声和杂散磁场。团队希望能将反质子带到一个安静的环境来提高测量精度。“这会改写现在的局面。”Latacz说。

BASE-STEP 的陷阱将包含约 1000 个反质子。图片来源：CERN

BASE-STEP只研究少量粒子，因而计划将储存在1吨的实验装置中的约1000个反质子运走。而PUMA计划则需要大约十亿个反质子，其研究团队希望将反质子运送至CERN的ISOLDE设施（The Isotope mass Separator On-Line facility），研究因衰变太快而无法运输的罕见的原子核。

洞察核结构

通过将这些原子核注入PUMA的陷阱，研究团队可以观察反质子与质子和中子的湮灭。这将为科学家提供关于核结构的独特洞察，特别是关于某些同位素中形成的中子“外皮”的信息。“这是对此真正敏感的唯一探测器。”Obertelli说，“测量难度极高。”

由于 PUMA 需要容纳更多的反质子，并配备用于注入同位素和探测湮灭的设备，其陷阱系统比 BASE-STEP 大得多，总重量达 10 吨。Obertelli 说，重型卡车必须绕行一条曲折的 1.5 公里路线前往 ISOLDE，因为直线路径上有一个急转弯和一座无法承受其重量的桥梁。

这两支团队必须将多种技术整合到一个实验中，同时“将其推至极限”， Ina Carli说， 她是加拿大温哥华TRIUMF粒子物理中心的实验物理学家，在CERN的ALPHA实验研究反氢。她说，运输过程中即使发生小小的故障，也可能导致反质子的损失，而准备下一次尝试将耗费数周时间。

“我一直以为反质子运输还要多年才能实现。”Carli说。“我真的很兴奋，期待一切顺利。”

原文以Elizabeth GibneyAntimatter to be transported outside a lab for first time — in a van标题发表在2024年11月26日《自然》的新闻特写版块上

© nature

Doi：10.1038/d41586-024-03841-0

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