ALPHA實驗採用正子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18日宣布一項重大突破，該成果發表於《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，標誌著反物質研究領域的關鍵進展。此項突破的核心在於成功開發並應用了一種創新的正子冷卻技術，使得反氫原子的生產速率提升了八倍之多。

該項技術的關鍵在於引入了由雷射冷卻的鈹離子雲，與原本在彭寧阱中環繞運動的正子進行「伴隨冷卻」。傳統方法中，正子在電磁場約束下雖會損失能量，但冷卻效果不足以使它們有效與反質子結合形成反氫原子。透過鈹離子的介入，正子雲的溫度被顯著降低至約攝氏零下266度，或低於10克爾文（Kelvin），遠優於先前約15克爾文的門檻。

這次效率的飛躍，使得ALPHA實驗團隊能夠在短短數小時內累積超過15,000個反氫原子。相較之下，過去要累積足夠進行高精度光譜測量所需的16,000個反氫原子，曾耗費長達十週的時間。ALPHA實驗發言人Jeffrey Hangst表示，這些產量在十年前簡直是科幻數字，如今的進展將使團隊能更快、更細緻地研究原子反物質。

ALPHA實驗副發言人兼正子冷卻計畫負責人Niels Madsen指出，這項新技術是解決測量系統不確定性的關鍵發展。他進一步說明，現在團隊可以在一夜之間累積反氫原子，並在隔日進行光譜線測量。此外，在2023年至2024年的實驗運行中，利用此冷卻方法，ALPHA實驗已成功產生超過200萬個反氫原子。

此項技術的成功整合，不僅是工程上的勝利，更是對基礎物理學核心問題的有力推進。ALPHA實驗的最終目標，是透過比較氫原子與反氫原子的光譜，來檢驗宇宙中物質與反物質間的明顯不對稱性，並探測如CPT對稱性等基本物理定律。這些前所未有的原子數量，正被用於進行更深入的實驗，例如ALPHA-g實驗，旨在研究重力對反物質的影響。粒子模擬曾預測，使用雷射冷卻的鈹離子進行正子伴隨冷卻，有能力將反氫原子的捕獲率提升高達兩個數量級，此次的八倍增產證實了該技術在加速基礎物理學研究方面的巨大潛力。

過去，ALPHA實驗已在2011年6月成功捕獲反物質原子超過16分鐘，並在2023年9月27日發表了支持反物質與常規物質受重力作用相似的論文，進一步驗證了弱等效原理。