四ppm精度测量反氢基态超精细分裂

为什么反物质原子重要

反物质听起来像科幻，但它是真实存在的，并帮助科学家检验自然的基本定律是否普适且在所有时间都成立。这项研究关注反氢——熟悉的氢原子的反物质对应体——并以创纪录的精度测量其内部的一个微小能量差。通过将反氢的这一精细“节拍”与普通氢比较，研究人员在寻找基础物理中可能存在的隐秘裂缝，并了解物质与反物质是否存在差异（如果存在的话）。

深入观察最简单的反物质原子

氢长期以来是物理学的重要工具，因为其简单结构允许科学家对量子理论进行极为精细的检验。反氢由反质子和正电子构成，如果一个称为CPT对称性的关键原理成立，反氢应当以与氢完全相同的方式表现。其中一个重要特征是超精细分裂，即原子内部不同自旋排列之间的微小能量差。在氢中这一分裂以极高精度被测定，但早期对反氢的测量远不及此处报告的精细。本文所述工作将反氢基态超精细分裂的精度提高了约一百倍，降至仅几百万分之几，并发现其在现有不确定度范围内与氢一致。

如何困住并计数脆弱的反原子

实验在 CERN 进行，反质子束与正电子云在一种名为 ALPHA-2 的复杂磁阱中被结合。由于反氢一旦接触常规物质就会湮灭，必须用产生浅“磁碗”的强磁场将其束缚在空间中。通过用激光冷却离子冷却正电子，团队现在可以在几分钟内常规地收集约100个被困的反氢原子，并多次重复该过程。在一次典型运行中，他们累计得到大约1,500个反原子样本，这些原子被温和地限制在远离周围设备的区域，直到被有意驱出并允许在记录其消失的探测器中湮灭。

调谐微波以翻转微小自旋

在磁阱内，反质子与正电子的内部自旋可以指向不同的相对方向，形成四个相近的能级。其中两个被磁碗束缚，另外两个被排斥。研究人员向阱内注入精心选择的微波以翻转正电子自旋，并将原子从被困态驱入非被困态。随着微波频率以小步进上调，会出现一个点：磁碗底端的原子被激发出阱并在周围壁面上湮灭。每次湮灭都会在硅探测器中留下痕迹，因此事件率的陡增揭示微波已命中某一自旋翻转跃迁的正确频率。

从漂移的场中提取精确频率

现实世界的磁体并不完美，塑造磁碗的磁场会随时间缓慢变化。这一漂移使微波共振频率在数小时的实验中发生偏移。为应对这一点，团队在两个略有不同的基准场下多次执行相同的自旋翻转扫描序列，并跟踪表观共振点如何向下滑动。通过对一系列共振起始点做直线拟合，他们确定了在相同有效场下两个关键跃迁之间的差值。该差值就是超精细分裂的频率。合并结果并仔细估计统计与系统不确定度后，他们得出了在一特斯拉磁场中分裂的数值，该值与基于氢的预期在几千赫兹范围内一致。

这对我们关于物质的认识意味着什么

新的测量精度如此之高，以至于开始探测到反质子内部结构的微妙细节，而不再仅仅受限于实验本身。它也使得对反氢激发态分裂和所谓斯特恩海姆间隔的相关测量更加精确，这些测量共同检验高阶量子效应，同时在很大程度上抵消了核结构贡献。目前为止，在这些测试的可达范围内，反氢的行为与氢完全相同，支持了物质与反物质遵循相同基本规律的观点。未来在冷却与磁控方面的改进可能会将精度进一步提高，或许会揭示出极微小的差异，或更深一层地确认物质与反物质之间的对称性。

引用: Akbari, R., de Araujo Azevedo, L.O., Baker, C.J. et al. Four ppm measurement of the antihydrogen ground-state hyperfine splitting. Nature 653, 1022–1026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10556-x

关键词: 反氢, 反物质, 超精细分裂, CPT 对称性, 量子电动力学