物理學家要給反物質搬家，總共分幾步？_風聞
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撰文 | 周立新
據Nature新聞報道，歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，簡稱CERN）發起了一個新項目——即將反物質從CERN運送到其他實驗室。這是首次給反物質“搬家”，而且他們計劃用一輛卡車運送。除了在CERN內部轉移，他們還要送到歐洲其他實驗室，這意味着世界上“最危險”的物質將出現在歐洲的馬路上。將比核聚變還危險的反物質帶出實驗室，這多少聽起來很有些“駭人聽聞”。
瞭解反物質，要從物質説起。物質由質子、中子和電子構成，這些粒子通常被稱為基本粒子。同時被定義的還有質子帶正電，中子不帶電，電子帶負電。反物質，顧名思義，一切都和物質反着來，反原子由反質子、反中子和反電子構成。與原子相比，它們的質量相等，攜帶的電荷相反，內部磁場也相反。自然界中常見的是物質，反物質並不常見。目前，隨着對粒子研究的深入，我們對原子內部結構的認識逐漸豐富，而對於反物質的研究，由於其稀缺性和諸多其他困難，研究過程更顯得困難重重。但是，開展反物質的研究對人類認識世界非常重要，這也是科學家們一直在努力的原因。
當物質和反物質相遇，隨即發生“湮滅”，這是一個由質量轉化為能量的過程，原有物質形式消失成為純電磁輻射，當然也有可能產生其他的粒子—反粒子對，例如，在高能狀態下，質子和反質子湮滅後可能產生介子和中性介子。湮滅過程中釋放的能量可以依據質能方程E=mc²計算。廣島原子彈爆炸的能量約為1.5萬噸TNT當量，一顆典型的氫彈爆炸的能量達到幾百萬噸的TNT當量，而6克反物質湮滅產生的能量足以毀滅一座大型城市。
物理學家開展反物質研究的目的必然不是想毀滅地球，就像研究核反應的初衷也並不是為了製造武器。反物質作為一種客觀存在的粒子，湮滅產生能量是它的客觀現象，而研究它是為了更好地瞭解利用，也是為了保護人類。特別是，科學家希望通過對反物質的研究窺探到宇宙大爆炸初期世界的狀態。
宇宙大爆炸發生幾個微秒後產生了極端高温高密的退禁閉的夸克-膠子等離子體（QGP），此時存在數量相當的正粒子與反粒子[1]，隨後迅速反應生成強子。理論上講，這時正粒子和反粒子應該湮滅。然而，由於某種未知的機制破壞了正反粒子的平衡，物質留下來形成了我們目前所見到的世界。反粒子哪去了？宇宙中的對稱性似乎沒那麼嚴謹了。
關於反物質的研究可以追溯到1898年，德裔英國物理學家Arthur Schuster以Potential Matter-A Holiday Dream為題在Nature發表文章，首次提出了反物質的概念。1932年，美國物理學家Philip Anderson通過帶有磁場的探測器觀測到了來自宇宙射線的正電子；1955年Emilio Segrè 和 Owen Chamberlain 等[2]在美國伯克利的迴旋加速器上發現了反質子，他們分別獲得了 1936 年與 1959 年的諾貝爾物理學獎。
在發現反物質後，科學家們一直嘗試在地球上製造反原子。終於，1995年，CERN的ATHENA和ATRAP實驗首次成功製造了反氫原子（由一個反質子和一個正電子組成）；到了2010年，他們已經可以將反質子的壽命控制到172 ms[3, 4]；2011年，反氫原子的壽命延長到1000 s[5]。目前，反質子的儲存記錄是405天。這一切得益於磁阱（如Penning阱和Paul阱）技術的使用，它能夠使粒子處於懸浮狀態，從而杜絕與容器壁接觸發生湮滅的可能。這也是本文提到的反物質可以“轉移”的技術前提。
如何理解磁阱？在學習量子力學的時候，“一維無限深勢阱”的字眼頻繁出現。我常常想，這是怎樣的一個“阱”，要多深才能稱之為無限深，要多大的勢能才能足夠稱之為“阱”，百思不能將其具象化。我也常常想，為什麼一定是“阱”，是否可以是“籃子”或者“盒子”呢？“阱”，多以“陷阱”成為一個詞出現，所謂陷阱，可以是地下挖的深坑，也可以是放在地面的“老鼠夾子”，也可能是觸發即可吊起獵物的網兜，總之陷阱是與獵物之間的關係是，獵物一旦“掉入”陷阱，就會進入一種狀態，一種失去自由、身不由己的狀態，物理學稱之為“束縛態”。這裏，反物質可以看作“獵物”，而能夠限制反物質的陷阱就是“磁阱”。區別在於，磁阱由磁場構成，在磁場作用下，反質子被“困”在真空艙（或瓶）中，保持相對獨立狀態。
有人要問，是什麼原因導致了粒子的這場必需的“出走”呢？是實驗精度的需要。歐洲核子研究中心的粒子加速器就是反質子的誕生地，各項實驗在中心開展順理成章，但是，周圍背景磁場干擾了結果的準確度，於是科學家有了更換實驗地點的想法。更換實驗地點會顯著提高精度嗎？相比較而言，大約能將精度提高100多倍。
是否可以考慮換個地方重建一套裝置呢？有人估算過，一克反物質的價值是62.5萬億美元，生產反質子的過程需要耗費大量的電力，以歐洲當前取暖都很困難的現狀，大概即沒有電力供應，也沒可能拿出多餘的經費建造新的設施。
正式開始運輸反物質之前，為了考察實驗的可行性，科學家們用質子做了個預備試驗。為什麼選擇質子作為“替代品”參與實驗？一則“反質子”真的很貴，不好隨便浪費；二則因為質子和反質子的性質相似，如果質子可以成功轉運，那反質子也可以。區別大概就是反質子運輸要求的條件會苛刻一些。歐洲核子研究中心物理學家Christian Smorra説：“如果你可以用質子做這件事，那麼它也可以用反質子做。唯一的區別是，你需要一個更好的真空室來容納反質子。”
首批70個質子作為先頭部隊，在起重機的幫助下已經率先登上了運送用的卡車。70個質子，起重機吊裝，一輛卡車。是的，你沒有看錯。未結合的質子以離散形式存在，俗稱“質子云”，為了保持它們的“獨立”性，需要被“封存”在磁阱中。形成磁阱需要超導磁體，超導磁體需要周圍環境温度在幾個開爾文，維持低温需要安裝液氦冷卻系統，同時導體磁性需要電力系統維持，最後是裝質子的真空艙。一整套專用系統搭建完成，系統自重已經超過一噸重。實際上，轉運過程中，相比於擔心顛簸可能引起的湮滅，科學家們最擔心的是供電是否能夠持久，畢竟集裝箱內攜帶的電能有限。為什麼不能配備一套足夠強大的電力系統，這恐怕要問問實驗中心那個大廳的門的尺寸，轉運裝置太大肯定出不了門。大概，實驗大廳在設計初期也沒有預想到，有一天粒子會“搬家”。
回到開始的話題，反物質是否可以順利上路，目前還沒有結論。其實，即便運輸中發生意外，譬如所有運送的質子都發生湮滅，產生的能量大概也就相當於一根鉛筆從桌子上落到地上的損失的能量，並不會有爆炸產生。這個殺傷力和一隻螞蟻咬了大象一口造成的損傷差不多。與其説路人害怕反物質湮滅的殺傷力，更該擔憂的是歐洲核子研究中心，這一車粒子的成本不要太高，需要上多少保險才能避免損失，又有哪個保險公司願意投保。反過來説，這樣一輛“豪車”上路，誰又敢靠近呢。
真正的轉運過程分為兩個計劃實施，BASE-STEP和PUMA。前者計劃包含運輸大約1000個反質子到實驗條件更好的實驗室，以開展對反質子更精密的觀測，位於德國杜塞爾多夫海因裏希·海涅大學可能是長距離運輸的第一個目的地。PUMA計劃則是在中心內部兩個相距600米的場地間轉運，轉運10億個反質子到ISOLDE設施中，研究奇異原子的性質。
與其關心運輸的安全性，我們不如一起來期待一下這些被“轉場”的粒子，看看它們能給我們帶來哪些驚喜。
參考文獻
[1] 馬餘剛. 反物質研究進展. 物理學報, 2024, 73(19): 191101. doi: 10.7498/aps.73.20241020
[2] Chamberlain O, Goldhaber G, Jauneau L, Kalogeropoulos T, Segrè E, Silberberg R 1959 Phys. Rev. 113 1615
[3] Andresen G B, Ashkezari M, Baquero-Ruiz M, et al. 2010 Nature 468 673
[4] Amoretti M, Amsler C, Bonomi G, et al. 2002 Nature 419 456
[5] ALPHA Collaboration 2011 Nat. Phys. 7 558
[6] https://www.theguardian.com/science/2024/dec/08/cern-antimatter-secrets-universe-science
[7] https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter
[8] https://www.symmetrymagazine.org/article/antimatter-on-wheels
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