欧洲核子研究中心ALPHA实验通过正电子协同冷却技术将反氢原子生产率提升八倍

欧洲核子研究中心（CERN）的ALPHA实验团队于2025年11月18日宣布，通过开发并应用一种创新的正电子冷却方法——“协同冷却”（sympathetic cooling），使得反氢原子的整体生产速率实现了八倍的增长。这项成果发表在《自然-通讯》期刊上，标志着在探索物质-反物质不对称性的研究中取得了关键性进展。

此次技术革新聚焦于反物质制备流程中至关重要的正电子冷却环节。传统方法中，从钠的放射性同位素收集的正电子被限制在彭宁陷阱内，虽然自身运动会产生一定冷却，但温度仍不足以高效地与反质子结合形成反氢原子。ALPHA实验的科学家们引入了激光冷却的铍离子云进入陷阱，通过离子与正电子之间的能量交换，成功将正电子云的温度大幅降低至低于10开尔文，即约零下266摄氏度的水平。这一极低温环境显著提高了正电子与反质子有效结合的几率，从而大幅提升了反氢原子的合成效率。

效率的飞跃极大地加速了实验数据的积累速度。借助新技术，ALPHA实验团队能够在数小时内积累超过15,000个反氢原子。作为对比，过去积累约16,000个原子可能需要长达十周的时间，这凸显了该技术在加速研究进程中的决定性作用。实验发言人Jeffrey Hangst指出，十年前，如此高的原子产量曾被视为科幻场景，而当前的成果将允许对反物质进行更精细、更快速的探究，有助于减少系统误差并深化对反物质光谱的分析。

该研究的深远意义在于对基础物理学中物质与反物质不对称性的探究。标准模型预测物质与反物质应等量产生，但当前宇宙中物质占据主导地位，这是一个核心的未解之谜。作为前身ATHENA实验的继承者，ALPHA实验旨在通过精确比较反氢原子与普通氢原子的性质来探寻这种不对称性的根源。

此次技术突破也为后续更宏大的实验奠定了基础。研究团队正利用积累的大量反氢原子推进ALPHA-g实验，旨在精确测量引力对反物质的影响。此外，先前ALPHA实验在2011年6月曾创下捕获反物质原子超过16分钟的纪录，而此次的生产效率提升，将使未来进行高精度光谱测量和重力测试的系统误差得到有效控制，并进一步提升研究的精度。工程层面上，将激光冷却的铍离子源引入并确保其与ALPHA捕获装置的极端环境兼容，本身就是一项复杂的工程壮举。尽管模拟结果曾预示协同冷却方式理论上可提升高达两个数量级的捕获率，此次八倍的提升已是实质性的巨大进步，正将反物质研究从“稀缺资源”推向“相对丰裕”的新纪元。