相同，依然相同！

物质与反物质不对称之谜

我们所熟悉的物质，都是是由重子（如质子和中子）和轻子（如电子）构成的。根据粒子物理学的标准模型，这些粒子都有其相应的反粒子，它们除了电荷相反之外，在其他方面几乎都是同等的。这些反粒子与常规粒子一样，也能结合形成反物质。

物质和反物质的存在带来了许多深刻的问题。比如当今物理学中的一个重大谜团是：为什么宇宙几乎完全由物质组成的，反物质的含量却微乎其微？这个问题被称为重子不对称性。假设一种所谓的CPT对称性发生了轻微的破缺，就可以解释这一问题，也就解释了我们的存在之谜。

CPT对称性是标准模型的基石之一，它告诉我们，物理定律在电荷共轭（C）、宇称反转（P）和时间逆转（T）的联合变换下是保持不变的，这种不变性的存在意味着，一个粒子和它的反粒子应具有相同的质量、但相反的电荷。如果能探测到任何偏离了这种对称性的结果，无论多么微小，都将对物理学产生巨大的影响。

CPT对称性。| 图片素材来源：[1]

然而，进行这样的探测是非常困难的，因为粒子和反粒子不能很好地“混合”，一旦一个粒子与它的反粒子接触，就会瞬间湮灭，只留下一道强光。

最近，一篇发表在《自然》杂志上的研究表明，欧洲核子研究中心（CERN）的BASE团队的物理学家通过研究反质子（带负电的质子）和反氢（带负电的氢离子）的运动，对这种CPT对称性进行了迄今为止最严格的检验。他们的测量结果还表明，反物质对引力的响应方式与物质相同。

高精度测量反质子的荷质比

在这项实验中，BASE团队的研究人员所使用的大量反质子是通过CERN的一个被称为“反物质工厂”的设备产生的。然后，他们会利用一个被称为彭宁阱的装置来实现对这些反质子的测量。

彭宁阱。| 图片来源：CERN

彭宁阱是一种可以通过精心设置磁场和电场来将带电粒子或反粒子捕获在真空中的装置。这种精密的设备可以阻止反质子与普通物质的接触，避免因接触而导致的反质子的即刻消失。因此在它的帮助下，科学家可以进行多项高精度的测量。

BASE团队这次的测量焦点是反质子的荷质比（电荷与质量之比）。这种测量背后的关键思想在于当一个带电粒子在恒定磁场（比如一个回旋加速器）中做圆周运动时，其旋转频率与它的荷质比成正比。在彭宁阱内，这些反质子就会沿着圆形的路径运动。通过这些运动，研究人员可以计算出它们的回旋频率，然后计算出这些反质子的荷质比。

理论上说，接下来物理学家应该对质子进行相应的测量，然后将测量值与反质子的测量值进行比较。然而，由于质子与反质子有着相反的电荷，会使得对质子的测量需要使用一个逆转的电场，而这种逆转会带来很大的系统误差。

因此，他们选择在相同的实验条件下，用带负电荷的氢离子来重复这一测量。这种反氢粒子是通过将两个电子结合到一个质子上而获得的。这种结合对质子所产生的效应可以被很好地理解，研究人员能够很容易地在数据分析中对这些效应加以纠正。

在长达一年半的时间里，BASE的物理学进行了4轮这样的测量，总共进行了24000次的比较，每一次持续260秒。他们观测到的结果显示，反质子与质子的荷质比的比值等于1，不确定性为万亿分之16。这个值足够精确，足以被认为是对CPT对称性的确认，它将之前的最佳测试的精度提高了4.3倍。

这一最新的研究结果代表了对物质和反物质之间的基本对称性的最精确的直接验证，对标准模型具有重要的作用。

验证弱等效原理

不仅如此，这一实验还验证了广义相对论的一个重要原理——弱等效原理。根据这一原理，所有处于相同引力场中的物体，无论其性质如何，都会经历相同的加速度。用一个通俗的例子来说明就是，在真空中，羽毛和锤子会以相同的加速度做自由落体运动。

测试太阳的引力场对反物质的影响。在几个月的时间尺度上，地球相对于太阳的位置变化（从近点到远地点）会导致太阳在地球上的引力势发生微小的变化。| 图片素材来源：Borchert, M. J. et al.

为了测试反质子是否会与引力场会发生异常的耦合，违反弱等效原理，研究小组使用了几个月的时间收集回旋频率数据。由于地球围绕太阳的运动轨道是椭圆的，因此在这样的时间尺度上，地球和太阳之间的距离变化足以让彭宁阱所处的位置的引力势发生变化。这使得研究人员可以估算出测得的回旋频率之比会如何随引力势改变。

这是有史以来的首个这样的分析。研究结果表明，在3%的不确定性水平上，质子和反质子的回旋频率会以同样的方式变化。这意味着反物质和引力之间并没有异常的相互作用，证实了弱等效原理不仅适用于物质，也适用于反物质。

#创作团队：

撰文：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

[1] https://www.mdpi.com/2073-8994/12/11/1821

[2] https://home.cern/news/news/physics/base-breaks-new-ground-matter-antimatter-comparisons

[4] https://physicsworld.com/a/antimatter-and-matter-respond-to-gravity-in-the-same-way-experiment-reveals/

[5] https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/pr/2022/20220106_1/index.html

#图片来源：

封面图/首图：原理