歐洲核子研究組織ALPHA實驗利用新型冷卻技術將反氫原子產率提升八倍

歐洲核子研究組織（CERN）的ALPHA實驗團隊於2025年11月宣布一項重大進展：透過導入一項開創性的新型正子冷卻技術，成功將反氫原子的生產速率提升了八倍。此項技術的實施，使科學家能在數小時內合成超過15,000個反氫原子，相較於過去需要數週才能達成的數量，標誌著粒子物理研究領域在反物質製備上的顯著進步。

ALPHA實驗合作組織在CERN的反物質工廠進行了這項關鍵研究，核心在於優化反質子與正子結合形成穩定反氫原子的效率。此效率的提升，完全取決於對正子準備過程的精細控制。過去，正子在彭寧阱中雖然會因環繞運動而損失能量，但冷卻效果仍不足以讓它們有效與反質子結合。為了解決此瓶頸，ALPHA團隊引入了「伴隨冷卻」（sympathetic cooling）機制，將雷射冷卻的鈹離子加入正子電漿中，使正子透過能量交換降溫。

這種創新的方法成功將正子雲的溫度降至接近絕對零度，具體而言是冷卻至約攝氏零下266度（或低於10克耳文），遠低於先前約15K的門檻，從而極大地提高了反氫原子的形成機率。ALPHA實驗發言人Jeffrey Hangst指出，以十年前的標準來看，目前的生產數字已是科幻情節，這體現了過去十年在反物質製備技術上的巨大發展。

根據研究，利用此新方法，ALPHA實驗在2023年至2024年的實驗運行中，總共生產了超過200萬個反氫原子。這種快速增加的反物質供應，直接為更精確的基礎物理測試提供了充足的樣本，特別是針對旨在精確檢驗反物質在重力作用下行為的ALPHA-g實驗。副發言人兼正子冷卻專案負責人Niels Madsen總結道，這種反應性的改變標誌著前沿科學中的一個典範轉移，將反物質研究從過去的罕見事件轉變為更具系統性的過程。

回顧歷史，例如在2010年，ALPHA合作組織一整年的總產量僅有38個反氫原子，而現在，他們可以在一個單獨的夜間輪班中捕獲多達15,000個原子。這種技術上的質變，使得對反物質進行高精度光譜實驗的步伐得以大幅加速，並為探究物質與反物質之間的基本對稱性提供了更堅實的基礎。ALPHA實驗的歷史可追溯至其前身ATHENA實驗，ALPHA本身於2005年底設立，目標是捕獲並研究反氫原子，並與氫原子進行比較，以檢驗物質與反物質間的基本對稱性。該合作組織曾在2023年9月27日發表研究，首次直接測量了反氫原子在重力下的自由落體情況，結果顯示其與普通物質的行為一致。如今，藉由這次的產率提升，科學家們將能以更快的速度和更高的精度，深入探討反物質的內部結構和行為，進一步回答宇宙為何由物質主導的根本問題。