文：陈劲豪（台大梁次震宇宙学与粒子天文物理学中心专案计画助理研究员）
欧洲核子研究组织（CERN）的ALPHA项目实验发表了对反氢原子的光谱测量结果。结果显示与氢原子的光谱测量结果一致。
在粒子物理的标準模型里面，所有的物质都有一个相对应的反物质。物质跟反物质的所有物理性质，例如质量，电荷量等，统统相同，唯一的差别仅在于所带的电荷相反。当物质与反物质相结合的时候，会相互湮灭而产生两个光子。这个正反物质的对称性又称为CPT对称。这边的CPT分别代表电荷共轭（C）、宇称（P）和时间反演（T）。
但是对物理学家来说，有了理论预测还不够，他们希望能够对所有可见的反物质进行精密测量，把测量到的反物质性质与已知的物质相互比较，看看两者是否如理论预期一样一致。如果两者的结果不一致，那么表示正反物质之间可能带有未知的差异，将会暗示新物理的存在。
氢原子的光谱是物理学家所可以作到的最精準的测量之一，同时氢原子的光谱也是少数物理学家可以精确计算的数值，精準度可以到1,015分之一的水準。在理论与实验的相互印证下，物理学家对氢原子的光谱有着相当清楚的认识。因此物理学家希望能够对反氢原子进行类似的光谱测量。透过精密的光谱量测，任何微小的差异都可以被侦测到。
位于瑞士CERN的ALPHA实验日前发表了最新的研究结果，他们对反氢原子的1S-2S光谱进行了仔细的测量。测量反氢原子的光谱相当困难。反氢原子是由反质子与正电子所结合而成。正电子相当容易产生，但是反质子在自然界中完全无法自然存在。在CERN的实验中，反质子是由质子同步加速器（Proton Synchrotron, PS）所产生的高能质子束撞击金属靶后所产生的次级粒子中收集而得。这些经由撞击而产生的反质子能量太高，需要透过反质子减速装置（The Antiproton Decelerator）减速之后，才能与正电子混合，进而形成反氢原子。减速装置大概每次可以产生约90,000个反质子，与正电子混合后，约可以产生24,000个反氢原子。
形成反氢原子后，由于反氢原子为电中性，ALPHA实验的科学家利用磁阱来限制反氢原子的行动，一方面避免反氢原子与物质结合而湮灭，一方面让物理学家能够更容易量测其光谱。他们利用雷射测量反氢原子1S-2S的光谱至精準度为2 x 10-10的水準。虽然比氢原子的精準度差了十万倍，不过已经是目前对反氢原子的光谱最精準的测量。而且结果显示两者在实验误差内一致。
物理学家的下个目标是提昇对反氢原子光谱测量的精密度。目前距离氢原子的精準度还差了十万倍，所以还有相当大的挑战空间。配合其它关于反氢原子实验的结果，物理学家将可以对正反物质的性质进行精準的测量。
参考资料
M. Ahmadi et al., "Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen", Nature (2016). Physics World 2016/12/19: Antiatoms yield their first optical spectrum本文经物理双月刊授权刊登，原文刊载于此