透過光譜測量，找尋傳說中的反氫原子——《物理雙月刊》

文／陳勁豪｜臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心 專案計畫助理研究員

CERN 的 ALPHA 實驗發表了對反氫原子的光譜測量結果。結果顯示與氫原子的光譜測量結果一致。

在粒子物理的標準模型裡面，所有的物質都有一個相對應的反物質。物質跟反物質的所有物理性質，例如質量，電荷量等，統統相同，唯一的差別僅在於所帶的電荷相反。當物質與反物質相結合的時候，會相互湮滅而產生兩個光子。這個正反物質的對稱性又稱為 CPT 對稱。這邊的 CPT 分別代表電荷共軛（C），宇稱（P），時間反演（T）。

但是對物理學家來說，有了理論預測還不夠，他們希望能夠對所有可見的反物質進行精密測量，把測量到的反物質性質與已知的物質相互比較，看看兩者是否如理論預期一樣一致。如果兩者的結果不一致，那麼表示正反物質之間可能帶有未知的差異，將會暗示新物理的存在。

氫原子的光譜是物理學家所可以作到的最精準的測量之一，同時氫原子的光譜也是少數物理學家可以精確計算的數值，精準度可以到 10¹⁵ 分之一的水準。在理論與實驗的相互印證下，物理學家對氫原子的光譜有著相當清楚的認識。因此物理學家希望能夠對反氫原子進行類似的光譜測量。透過精密的光譜量測，任何微小的差異都可以被偵測到。

位於瑞士 CERN 的 ALPHA 實驗日前發表了最新的研究結果，他們對反氫原子的 1S-2S 光譜進行了仔細的測量。測量反氫原子的光譜相當困難。反氫原子是由反質子與正電子所結合而成。正電子相當容易產生，但是反質子在自然界中完全無法自然存在。

在 CERN 的實驗中，反質子是由質子同步加速器（Proton Synchrotron, PS）所產生的高能質子束撞擊金屬靶後所產生的次級粒子中收集而得。這些經由撞擊而產生的反質子能量太高，需要透過反質子減速裝置（The Antiproton Decelerator）減速之後，才能與正電子混合，進而形成反氫原子。減速裝置大概每次可以產生約 90,000 個反質子，與正電子混合後，約可以產生 24,000 個反氫原子。

 

透過 Google 街景服務來探索質子同步加速器吧！圖／Google Street View

形成反氫原子後，由於反氫原子為電中性，ALPHA 實驗的科學家利用磁阱來限制反氫原子的行動，一方面避免反氫原子與物質結合而湮滅，一方面讓物理學家能夠更容易量測其光譜。他們利用雷射測量反氫原子 1S-2S 的光譜至精準度為 2 x 10^-10 的水準。雖然比氫原子的精準度差了十萬倍，不過已經是目前對反氫原子的光譜最精準的測量。而且結果顯示兩者在實驗誤差內一致。

物理學家的下個目標是提昇對反氫原子光譜測量的精密度。目前距離氫原子的精準度還差了十萬倍，所以還有相當大的挑戰空間。配合其它關於反氫原子實驗的結果，物理學家將可以對正反物質的性質進行精準的測量。

原始論文：

• M. Ahmadi et al., “Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen“, Nature (2016). doi:10.1038/nature21040

相關報導：

• Physics World 2016/12/19: Antiatoms yield their first optical spectrum

---

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 月號 ，更多文章請見物理雙月刊網站。