欧洲核子研究中心ALPHA实验通过新型冷却技术将反氢原子产生速率提升八倍

欧洲核子研究中心（CERN）的ALPHA合作组于2025年11月宣布，其在基础物理学研究中取得一项重要进展，显著加速了反氢原子的制造进程。该突破的核心在于成功部署了一种创新的正电子冷却技术，使得反氢原子的产生速率实现了八倍的增长。

隶属于CERN反物质工厂的ALPHA实验科学家们现在有能力在数小时内合成超过15,000个反氢原子，而过去需要数周时间才能达到同等数量。这一技术飞跃将反物质的研究从一个极其稀有的事件，转变为一个更具系统性和可及性的实验领域。ALPHA合作组的成员机构包括位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）。

效率提升的关键在于对正电子——电子的反物质对应物——施加的开创性“伴随冷却”（sympathetic cooling）方法。该技术利用被激光冷却至极低温的铍离子，通过它们与正电子的相互作用来间接冷却正电子云。此方法的成功使得系统温度达到了接近零下266摄氏度的水平，这是高效地将反质子与正电子结合形成稳定反氢原子的关键前提。

在2023年至2024年的实验运行中，采用此新冷却策略的ALPHA实验已累计产生了超过200万个反氢原子，为后续研究提供了前所未有的物质基础。这种快速的反物质供应直接推动了先进研究目标，特别是检验基本物理学原理的追求。ALPHA合作组早在2023年就首次直接测量了反氢原子在地球引力下的自由落体情况，为反物质如何响应地球引力提供了初步数据。

目前每小时产生超过15,000个原子的能力，将直接用于完善这些引力测量，并开展更精密的谱学实验。ALPHA合作组发言人、丹麦奥胡斯大学实验粒子物理学家Jeffrey Hangst强调了这项成就的重大意义，指出这些产量在十年前仍被视为科幻小说的范畴。ALPHA副发言人兼正电子冷却项目负责人Niels Madsen将响应速度的改变定性为前沿科学中的一次范式转变，认为能够在一夜之间准备好可用量的反氢原子，极大地加快了高精度谱学实验的进行速度。

这一技术进步标志着在CERN进行尖端物理研究时，反物质的制备正朝着更常规而非特殊事件的方向发展，使得研究人员能够对反物质是否与常规物质在引力影响下表现出完全相同的行为进行更具统计学稳健性的检验。值得注意的是，CERN的其他反物质实验，如AEgIS，也在积极推进冷却技术，例如AEgIS团队在2024年2月成功实现了对正电子素的激光冷却，将温度从380开尔文降至170开尔文，以期更精确地测试引力对反物质的影响。这种对正电子的有效冷却，是ALPHA实验此次生产效率提升的基石，体现了CERN在反物质制备技术上持续的创新和迭代。