欧洲核子研究中心反物质工厂 ALPHA 实验的光纤链路将有助于精确测量反氢的性质

科学家们正在试图解开宇宙的一个终极谜团：为什么我们周围充满了物质，而反物质却踪迹难寻？在欧洲核子研究中心（CERN），研究人员正通过一条全新的光纤连接，将时间精度提升到前所未有的水平，为破解这一谜题提供关键线索。科学家们希望通过极其精确的时间测量，找到物质和反物质之间的细微差异，甚至可能发现新的物理规律，以解释为什么我们的宇宙几乎完全由物质组成，而反物质却几乎消失不见。

根据现有的物理理论，宇宙诞生时，物质和反物质应该是等量产生的。但如果它们完全对称，那么它们应该早已相互湮灭，留下一个空无一物的宇宙。然而，现实是我们生活在一个充满物质的世界，而反物质几乎踪迹难寻。这说明物理规律中可能存在某种不对称性，使得物质比反物质多了一点点。

为了找出物质和反物质之间的微小差异，科学家们需要对反物质的特性进行超高精度测量。这就需要极其稳定和准确的时间基准，因为原子内部的能级跃迁，也就是原子的“指纹”是由特定频率的光或微波决定的。这些测量的精度必须极高，误差极小，否则就无法分辨出物质和反物质之间的细微不同。

CERN的反物质工厂是全球唯一专门研究反物质的设施。在这里，ALPHA实验团队致力于捕获并研究反氢原子，即由反质子和正电子组成的反物质版本的氢原子。通过精确测量反氢原子的光谱特性，科学家们希望找出物质和反物质之间可能存在的细微差异，从而验证物理学中被称为CPT对称性的基本原则。

在粒子物理学的标准模型中，CPT对称性有非常重要。CPT对称性称：如果同时将一个粒子的物质属性转换为反物质（改变其电荷符号）、翻转其空间坐标（如同镜像）并逆转时间方向，那么该粒子与其反粒子的行为应完全相同。

CERN的反物质研究机构通过研究反物质的特性和行为，检验诸如CPT对称性等基本原理。ALPHA实验通过对反氢原子进行光谱测量，比较其与普通氢原子的频率。如果测量结果一致，则支持CPT对称性。

这些频率对应于原子内部能级之间的差距。为了精确比较物质和反物质，这些频率必须被极其精确地测定，这需要超高精度的时钟。

铯喷泉钟可以精确地告诉科学家们一秒钟到底有多长

要进行如此精密的测量，时间的准确性至关重要。这就像在听一首交响乐时，指挥家的节拍必须完美无缺，才能捕捉到每一个微小的音符变化。为此，CERN与法国国家计量研究所（LNE-SYRTE）合作，铺设了一条从巴黎直达日内瓦的光纤连接，将世界上最精确的时间信号直接传送到ALPHA实验室。

这条光纤连接不仅提供了超高精度的时间参考，还大幅降低了测量过程中的噪声干扰。此前，ALPHA实验依赖石英振荡器和GPS卫星进行时间校准，测量精度约为每万亿分之二（2×10^-12）。而通过引入新的光纤连接和铯喷泉原子钟，测量精度有望提升至每千万亿分之四（4×10^-15），与普通氢原子的测量精度相当。

对于ALPHA实验而言，光纤连接和铯喷泉原子钟在实现与氢原子测量相匹配的反氢原子高精度测量中都起着重要作用。时钟提供了精确的时间基准，而光纤连接有助于减少测量中的噪声，并在长期内更好地评估时钟的准确性。此外，该连接还将使未来使用光学量子钟成为可能，其稳定性将超过目前实现国际单位制秒的时钟。

国际单位制秒的定义是铯-133原子在其基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。

这项技术进步将使CERN的实验更加精确，有助于科学家深入探索物质和反物质之间的微小差异，可能为揭示宇宙中物质占主导地位的原因提供新的线索。

另外，这项技术突破还能够使ALPHA实验能够更精确地比较物质和反物质，还为未来引入更先进的光学量子钟铺平了道路。这些量子钟的稳定性将远超目前的技术水平，进一步推动科学家们探索宇宙中物质占主导地位之谜。

信息来源：https://home.cern/news/news/experiments/optical-fibre-link-make-cern-more-time-ever