測量稀有反物質 首次用雷射方法

現有理論認為這個宇宙應該是由等量的正物質和反物質構成的，可是觀測結果顯示這個世界幾乎完全由正物質構成。這是現代物理學無法解釋的幾大難題之一。要解開這個謎題，科學家需要先造出反物質，仔細測量比較它們和正物質特性的差別。

可是反物質太難造了，需要耗費很大的能量才能造出，而且不穩定。它們一旦觸碰到周圍的任何正物質，立即湮滅消逝。現在一組科學家發明了一套製造反物質的方法，特別還採用雷射將它們困在真空環境內足夠長的時間，讓研究人員可以對其進行各種測量。研究者表示這樣的技術是研究反物質道路上邁出的一大步。

正物質由原子構成，反物質由反原子構成。科學家知道最容易製造的是反氫原子，由一個反電子（也叫正電子，帶正電的電子）繞著一個反質子核構成，是宇宙中結構最簡單的反物質。

極光是偶爾在高緯度地區出現的一種絢麗的光學現象。幾個世紀來科學家對其成因進行了各種猜測。6月7日發表於《自然・通訊》（Nature Communications）期刊的研究稱，終於為極光的成因提出確鑿的證據。

美國愛荷華大學（The University of Iowa）的研究組通過實驗第一次證明，是太陽發出的阿爾文波（Alfvén wave）把電子加速吹入地球的磁場，產生了這種美麗的現象。

阿爾文波是太陽內部大量等離子體大規模的活動而產生的一種特定的能量波，有能力遠距離運載大量能量。這種波以太陽能磁通管（solar magnetic flux tubes）的形式，把巨大的能量直接從太陽的內部輸送到太陽的外大氣層——日冕層，導致太陽日冕層的溫度比它下面的一層——光球層高出千倍。

這份研究顯示，阿爾文波帶動部分電子加速而產生極光。「測量顯示，小部分電子在阿爾文波電場的作用下『共振加速』，就像衝浪者騎著海浪，被海浪帶動而加速一樣。」研究者之一愛荷華大學物理與天文系副教授豪斯（Greg Howes）說。

在此之前，科學家對極光成因的理論是，太陽發出的高能粒子，比如電子，以每小時4,500萬英里高速沿著地球的磁力線落入地球高層大氣。這個區域的氧原子和氮原子被這些高能粒子觸發成為激發態。而當它們要回到較低能量態的時候，釋放的能量會以光子的形式發出，就形成了人們看到的極光。

近年來，多個太空觀測器在出現極光的上空區域探測到阿爾文波，由此科學家推測應該是阿爾文波推動了這些電子達到如此高的速度。但是，由於來自空中的觀測也有某些局限性，所以還無法確切證實這個理論。

豪斯說，雖然在實驗室設備裏沒有看到極光，但是證實電子的確可以被阿爾文波加速到每小時4,500萬英里的速度。「這個實驗的難度在於，要探測到只有少量電子被加速到接近阿爾文波的速度，等離子體內只有不到千分之一的電子被加速到這個狀態。」加州大學洛杉磯分校物理學教授卡特（Troy Carter）說。◇

研究人員先用粒子對撞機造出反質子。研究稱，需要100萬個質子和至少2,600萬倍最後儲存在反質子內的能量，才能造出一個合用的反質子。同時，研究人員發現可以從放射性材料中獲得正電子，相對來說算是容易。兩部分主要材料備齊以後，研究人員需要將它們結合成反氫原子。

這份研究把反質子和正電子放在一個真空的電磁場內使它們結合。研究稱，真空的環境是為保護生成的反氫原子不要碰到任何正物質而湮滅；電磁場能夠把反氫原子定在真空內。

至此，研究人員得到了一個可以對其進行仔細測量的反氫原子。但是還有一個局限性：由於粒子的動能導致它的移動，這降低了測量的精確度。

這份研究首次發明一個方法：用雷射照射這個反原子將其穩住。研究解釋說，雷射由光子構成，光子自身也帶有一定動能。只要找準反原子移動的方向，使它正好迎向雷射照射的方向，就能抵消反原子移動的能量，使它穩定下來。研究者形容說，這就像你怎樣反向用力讓蕩悠的鞦韆慢下來一個道理。

研究稱，利用這種定向雷射冷卻的方法，他們把反氫原子的溫度降至原來的1/10。這可以將測量的精確度提升四倍。

這份研究日前發表於《自然》（Nature）期刊。◇