欧洲核子研究中心的BASE团队已经增强了反质子冷却技术，允许进行更快更精确的测量，挑战现有的正反物质对称性理论，并可能重塑我们对宇宙构成的理解。
为什么宇宙中存在物质，而几乎不存在反物质？由杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（HHU）的斯特凡·乌尔默教授领导的日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）BASE国际研究合作小组在解决这个问题方面取得了重大的实验性突破。他们开发了一种以前所未有的精确度测量反质子质量和磁矩的方法，这有助于揭示物质和反物质之间可能存在的不对称性。据《物理评论快报》报道，BASE团队设计了一种陷阱，它可以比以往更快地冷却单个反质子。
大爆炸发生在130多亿年前，那时的宇宙充斥着高能辐射，不断地生成物质和反物质粒子对，如质子和反质子。当这样一对粒子碰撞时，它们会湮灭并再次转化为纯能量。所以，总的来说，应该会产生并湮灭等量的物质和反物质，这意味着宇宙在很大程度上应该是无物质的。
但是，由于物质对象确实存在，因此显然存在不平衡——不对称性。产生的物质比反物质多一点点——这与粒子物理学的标准模型相矛盾。因此，物理学家们几十年来一直在寻求扩展标准模型。为此，他们还需要对基本物理参数进行极其精确的测量。
BASE合作的作用
这是“BASE合作”（“重子反重子对称性实验”）的起点。它涉及杜塞尔多夫、汉诺威、海德堡、美因茨和东京的大学、苏黎世瑞士联邦理工学院和日内瓦欧洲核子研究中心的研究设施、达姆施塔特GSI亥姆霍兹中心、海德堡马克斯·普朗克核物理研究所、布劳恩斯魏格德国国家计量研究院（PTB）和埼玉县和光町日本理化学研究所。
“我们试图回答的核心问题是：物质粒子及其对应的反物质粒子是否具有完全相同的重量和磁矩，或者是否存在微小差异？” BASE的发言人斯特凡·乌尔默教授解释道。他是海德堡大学实验物理研究所的教授，也在欧洲核子研究中心和理化学研究所开展研究。
物理学家们想要对单独的、超冷的、因此能量极低的反质子进行所谓自旋翻转的极高分辨率测量，即自旋量子跃迁；也就是质子自旋方向的改变。“根据测量的跃迁频率，我们可以确定反质子的磁矩——也就是说，它们内部微小的条形磁铁，”乌尔默解释说，并补充道：“目标是以前所未有的精度，查看质子和反质子中的这些条形磁铁是否具有相同的强度。”
以一种能够实现如此精度水平的方式准备单个反质子进行测量是一项极其耗时的实验任务。BASE合作组现已在此方面迈出了决定性的一步。
来自欧洲核子研究组织 (CERN) 的 Barbara Maria Latacz 博士是该研究的首席作者，该研究现已在《物理评论快报》上发表为“编辑推荐”。她表示：“我们需要最高温度为 200 毫开尔文的反质子，即极冷的粒子。这是区分各种自旋量子态的唯一方法。利用之前的技术，我们用了 15 个小时才将来自 CERN 加速器复合体的反质子冷却到这个温度。而我们的新冷却方法将这段时间缩短到了八分钟。”
研究人员通过将两个所谓的彭宁阱合并成一个装置“麦克斯韦妖冷却双阱”来实现这一目标。这种阱能够仅基于目标制备最冷的反质子，并使用它们进行随后的自旋翻转测量；较暖的粒子会被剔除。这就省去了冷却较暖反质子所需的时间。
在大大缩短的时间段内，需要大大缩短冷却时间以获得所需的测量统计数据，以便进一步减少测量不确定性。拉塔茨说：“我们至少需要1000个单独的测量周期。使用我们新的陷阱，我们需要大约一个月的测量时间——相比之下，使用旧技术需要近十年，这在实验上是不可能实现的。”
乌尔默：“使用BASE陷阱，我们已经能够测量到质子和反质子的磁矩差异最大只有十亿分之一，也就是10^-9。我们已经能够将自旋识别的错误率降低一千倍以上。在下一轮测量活动中，我们希望将磁矩的精确度提高到10^-10。”
乌尔默教授谈未来计划：“我们想要构建一个移动粒子阱，用它把日内瓦欧洲核子研究中心生成的反质子运送到海因里希·海涅大学的新实验室。通过这种方式，我们有望将测量精度再提高10倍以上。”
背景：基本粒子的陷阱
陷阱可以使用磁场和电场，长期储存单个带电的基本粒子、其反粒子，甚至原子核。储存时间可能超过十年。然后可以在陷阱中进行有针对性的粒子测量。
有两种基本类型的构造：所谓的保罗陷阱（由德国物理学家沃尔夫冈·保罗于20世纪50年代开发）使用交变电场来保持粒子。“彭宁陷阱”由汉斯·G·德梅尔特开发，使用均匀磁场和静电四极场。这两位物理学家都因其在1989年的发展而获得了诺贝尔奖。
参考：“BASE合作团队，B. M. Latacz，M. Fleck，J. I. Jäger，G. Umbrazunas，B. P. Arndt，S. R. Erlewein，E. J. Wursten，J. A. Devlin，P. Micke，F. Abbass，D. Schweitzer，M. Wiesinger，C. Will，H. Yildiz，K. Blaum，Y. Matsuda，A. Mooser，C. Ospelkaus，C. Smorra，A. Soter，W. Quint，J. Walz，Y. Yamazaki和S. Ulmer在2024年8月1日发表于《物理评论快报》的‘基于单个捕获反质子的无损自旋量子跃迁光谱学的数量级改进的回旋加速器模式冷却’” DOI：10.1103/PhysRevLett.133.053201
