原文作者：Elizabeth Gibney

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這種不穩(wěn)定的物質(zhì)將被裝載到卡車中，穿越歐洲核子研究中心（CERN）園區(qū)，運(yùn)送到不同設(shè)施，為科學(xué)家提供更多研究它的機(jī)會(huì)。

PUMA實(shí)驗(yàn)（反質(zhì)子不穩(wěn)定物質(zhì)湮滅，antiProton Unstable Matter Annihilation）是一個(gè)緊湊型實(shí)驗(yàn)，旨在將反質(zhì)子從CERN的反物質(zhì)工廠運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室的ISOLDE設(shè)施。圖片來(lái)源：Maximilien Brice/CERN (CC-BY-4.0)

兩支來(lái)自歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)團(tuán)隊(duì)，正在競(jìng)速完成一項(xiàng)非凡的壯舉：首次運(yùn)輸反物質(zhì)。反物質(zhì)是普通物質(zhì)的鏡像，極難制造且壽命極短——在與普通物質(zhì)接觸的瞬間就會(huì)湮滅。其中一支團(tuán)隊(duì)希望將反物質(zhì)轉(zhuǎn)移，以便進(jìn)行更精確的研究，另一支團(tuán)隊(duì)則計(jì)劃利用反物質(zhì)進(jìn)行前所未有的首次材料探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

“如果實(shí)現(xiàn)了，將開(kāi)啟無(wú)數(shù)新機(jī)遇?！泵绹?guó)紐約州布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 的物理學(xué)家 James Dunlop說(shuō)，他的研究涉及在納秒尺度上觀察反物質(zhì)。

每一個(gè)物質(zhì)粒子都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的反粒子：是它的鏡像，帶有相反的電荷。物理學(xué)家認(rèn)為，在宇宙大爆炸期間，宇宙中產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但是，如今的宇宙卻幾乎完全由普通物質(zhì)組成，這仍是一個(gè)未解之謎。

反物質(zhì)在地球上價(jià)值連城——制造一克的成本可達(dá)數(shù)萬(wàn)億美元。位于瑞士日內(nèi)瓦附近的CERN是世界上唯一一個(gè)能制造慢速反粒子的地方，這些反粒子來(lái)得及被捕捉和儲(chǔ)存，并有望在不湮滅的情況下被運(yùn)輸出去。CERN的兩個(gè)項(xiàng)目，PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) 和BASE-STEP，正計(jì)劃將反物質(zhì)運(yùn)往其他實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)在今年實(shí)現(xiàn)。

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反物質(zhì)運(yùn)輸

兩支團(tuán)隊(duì)運(yùn)送反物質(zhì)的目標(biāo)有所不同。BASE-STEP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將反質(zhì)子，即質(zhì)子的反粒子，運(yùn)送到一個(gè)無(wú)實(shí)驗(yàn)噪聲的環(huán)境中，以進(jìn)行更細(xì)致的研究。而PUMA則計(jì)劃將反質(zhì)子運(yùn)送到一個(gè)也生產(chǎn)其他短壽命物質(zhì)的科學(xué)裝置中，利用反物質(zhì)探測(cè)它們的原子核結(jié)構(gòu)。

兩項(xiàng)計(jì)劃的首次運(yùn)輸都只需幾小時(shí)，僅限于CERN科學(xué)園區(qū)內(nèi)部。但團(tuán)隊(duì)以后希望進(jìn)行更長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，送到歐洲的各個(gè)大學(xué)，讓更多實(shí)驗(yàn)室有機(jī)會(huì)研究反物質(zhì)。BASE-STEP項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是將反質(zhì)子運(yùn)送到約700公里外的德國(guó)杜塞爾多夫的海因里?！ずＤ髮W(xué)，該團(tuán)隊(duì)的一部分成員就在該大學(xué)工作。

此類運(yùn)輸服務(wù)“將有助于反物質(zhì)使用及研究的普及”，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家、PUMA項(xiàng)目的設(shè)計(jì)者Alexandre Obertelli說(shuō)。

捕獲反質(zhì)子

為了在運(yùn)輸過(guò)程中存儲(chǔ)反質(zhì)子，研究人員花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間研發(fā)專用的“捕獲裝置（陷阱）”。2024年10月，BASE-STEP團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一次運(yùn)輸測(cè)試，在貨車后部的陷阱裝置中放置了普通物質(zhì)。12月4日，PUMA團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將空置的陷阱裝置從德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)運(yùn)送至CERN。到達(dá)CERN后，團(tuán)隊(duì)會(huì)將反物質(zhì)裝入裝置并開(kāi)始測(cè)試。

在運(yùn)輸反物質(zhì)時(shí)，物理學(xué)家必須用磁性“瓶子”懸浮并冷卻反質(zhì)子。這些容器利用超導(dǎo)磁體將反質(zhì)子固定，使其懸浮，從而不接觸容器壁。同時(shí)，移動(dòng)式發(fā)電機(jī)將為磁體供電，并提供冷卻系統(tǒng)，將反質(zhì)子保持在約4開(kāi)爾文（-269°C）的超低溫度下。還有液態(tài)氦作為備用冷卻劑。

難題可能是維持高真空環(huán)境，以防止反物質(zhì)與游離的普通物質(zhì)粒子接觸而湮滅。該過(guò)程還需設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)，讓反物質(zhì)能夠釋放或引入其他材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，所有設(shè)備都得是可移動(dòng)的，還能承受運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)和力。“我認(rèn)為這可行，就是難。” Dunlop說(shuō)。

Obertelli指出，目前尚無(wú)關(guān)于如何運(yùn)輸反物質(zhì)的官方規(guī)定。在美國(guó)作家Dan Brown 2000年的小說(shuō)《天使與魔鬼》中，恐怖分子從CERN盜走了四分之一克反物質(zhì)用于制造炸彈，引發(fā)了人們對(duì)反物質(zhì)危險(xiǎn)性的擔(dān)憂。然而，Obertelli表示，這種擔(dān)憂完全沒(méi)有必要。他說(shuō)，即使PUMA計(jì)劃運(yùn)輸?shù)乃蟹促|(zhì)子同時(shí)湮滅，釋放的能量也僅僅相當(dāng)于一支鉛筆從桌子高度掉落產(chǎn)生的沖擊力，“炸不起來(lái)的?！?/p>

BASE-STEP團(tuán)隊(duì)在反物質(zhì)運(yùn)輸測(cè)試中，將陷阱裝載到卡車上。圖片來(lái)源：CERN

存在性問(wèn)題

反物質(zhì)是在CERN的反質(zhì)子減速器中制造的。一個(gè)質(zhì)子束撞擊金屬靶，產(chǎn)生快速移動(dòng)的反質(zhì)子噴流。然后，減速器通過(guò)磁、電場(chǎng)和其他冷卻方法來(lái)減慢這些反質(zhì)子的速度。6個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)減速并捕獲這些粒子。盡管全球其他實(shí)驗(yàn)室也能夠生成反物質(zhì)，例如通過(guò)粒子碰撞，但CERN是唯一能夠制造、存儲(chǔ)并進(jìn)一步研究這些粒子的地方。

CERN研究反物質(zhì)的團(tuán)隊(duì)之一BASE合作團(tuán)隊(duì)（BASE-STEP是它的一部分）測(cè)量單個(gè)反物質(zhì)粒子的性質(zhì)，并與普通物質(zhì)進(jìn)行比較。他們正在尋找兩者的差異，未來(lái)可能解釋某些謎團(tuán)，例如為何兩種物質(zhì)在宇宙大爆炸中沒(méi)有以相等數(shù)量產(chǎn)生——如果它們真的相等，所有物質(zhì)會(huì)在大爆炸后立即湮滅。

“我們正在試圖理解為何我們存在?！?BASE-STEP團(tuán)隊(duì)成員Barbara Maria Latacz說(shuō)。實(shí)驗(yàn)實(shí)際上位于一個(gè)大型加速器內(nèi)部，加速器產(chǎn)生了背景噪聲和雜散磁場(chǎng)。團(tuán)隊(duì)希望能將反質(zhì)子帶到一個(gè)安靜的環(huán)境來(lái)提高測(cè)量精度。“這會(huì)改寫現(xiàn)在的局面?！盠atacz說(shuō)。

BASE-STEP 的陷阱將包含約 1000 個(gè)反質(zhì)子。圖片來(lái)源：CERN

BASE-STEP只研究少量粒子，因而計(jì)劃將儲(chǔ)存在1噸的實(shí)驗(yàn)裝置中的約1000個(gè)反質(zhì)子運(yùn)走。而PUMA計(jì)劃則需要大約十億個(gè)反質(zhì)子，其研究團(tuán)隊(duì)希望將反質(zhì)子運(yùn)送至CERN的ISOLDE設(shè)施（The Isotope mass Separator On-Line facility），研究因衰變太快而無(wú)法運(yùn)輸?shù)暮币?jiàn)的原子核。

洞察核結(jié)構(gòu)

通過(guò)將這些原子核注入PUMA的陷阱，研究團(tuán)隊(duì)可以觀察反質(zhì)子與質(zhì)子和中子的湮滅。這將為科學(xué)家提供關(guān)于核結(jié)構(gòu)的獨(dú)特洞察，特別是關(guān)于某些同位素中形成的中子“外皮”的信息。“這是對(duì)此真正敏感的唯一探測(cè)器。”O(jiān)bertelli說(shuō)，“測(cè)量難度極高?！?/p>

由于 PUMA 需要容納更多的反質(zhì)子，并配備用于注入同位素和探測(cè)湮滅的設(shè)備，其陷阱系統(tǒng)比 BASE-STEP 大得多，總重量達(dá) 10 噸。Obertelli 說(shuō)，重型卡車必須繞行一條曲折的 1.5 公里路線前往 ISOLDE，因?yàn)橹本€路徑上有一個(gè)急轉(zhuǎn)彎和一座無(wú)法承受其重量的橋梁。

這兩支團(tuán)隊(duì)必須將多種技術(shù)整合到一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)“將其推至極限”， Ina Carli說(shuō)， 她是加拿大溫哥華TRIUMF粒子物理中心的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在CERN的ALPHA實(shí)驗(yàn)研究反氫。她說(shuō)，運(yùn)輸過(guò)程中即使發(fā)生小小的故障，也可能導(dǎo)致反質(zhì)子的損失，而準(zhǔn)備下一次嘗試將耗費(fèi)數(shù)周時(shí)間。

“我一直以為反質(zhì)子運(yùn)輸還要多年才能實(shí)現(xiàn)?！盋arli說(shuō)?！拔艺娴暮芘d奮，期待一切順利?！?/p>

原文以Elizabeth GibneyAntimatter to be transported outside a lab for first time — in a van標(biāo)題發(fā)表在2024年11月26日《自然》的新聞特寫版塊上

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Doi：10.1038/d41586-024-03841-0

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