反物质工厂启动：CERN新装置能否解开宇宙消失之谜？

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你可能听过反物质这个科学名词，但你可能觉得它离我们很遥远，甚至你可能认为它仅仅存在于实验室或者隔壁的某个平行宇宙中。
但实际上，反物质离你很近。
例如，当你咬下一口香蕉的瞬间，就有可能释放了反物质粒子！

这可不是科幻小说，而是真实发生的物理现象——香蕉中的放射性钾-40在衰变时，有极小概率会释放出一种带正电的“反电子”（正电子）。事实上，所有生物体内的钾元素都在持续进行这种反物质生产。

K-40衰变方式

但为何我们从未见过由反物质构成的“反香蕉”？这个看似简单的疑问背后，隐藏着宇宙诞生至今的最大谜题：为什么我们的宇宙几乎完全由物质构成？

反物质香蕉与物质香蕉

反物质：镜像世界的“幽灵”
反物质是物质的完美镜像。想象一个氢原子：中心是一个带正电的质子，外围环绕着一个带负电的电子。它的反物质版本——反氢原子——则完全相反：中心是带负电的反质子，外围环绕着带正电的正电子。

氢原子与反氢原子

当物质与反物质相遇，它们会瞬间湮灭，化作纯粹的能量（爱因斯坦的E=mc²在此完美展现）。

理论预言，宇宙大爆炸应产生等量的物质和反物质，但两者相遇湮灭后，理应什么都不剩。可现实是，物质构成了星系、恒星、地球和我们。那本该存在的另一半反物质去了哪里？
为解开这个谜题，科学家必须制造并研究反物质！
制造反物质：宇宙最昂贵的工程

世界上首个反物质生产厂落户欧洲的CERN

位于瑞士的欧洲核子研究中心（CERN）建立了全球唯一的“反物质工厂”——反质子减速器（AD）。

这个设备的工作原理如同“驯服野马”将桀骜不驯的反质子俘获，简单地说，分为如下三步：

粒子碰撞：将高能质子束（来自大型强子对撞机LHC的副产品）轰击金属靶。

沙里淘金：每百万次碰撞仅产生约4个反质子，混在无数其他粒子中。

减速囚禁：用磁场筛选出反质子，送入AD环将其速度从光速的96%降至10%（约3万公里/秒）。最后，通过电磁场构成的“陷阱”（彭宁阱）将其捕获并冷却至接近静止。

CERN反质子减速器（AD）工作流程示意图。

然而，一直以来，生产反物质可不是那么容易，它的代价昂贵，且效率奇低，并且保存麻烦，
首先是产量极低，即使CERN全力生产，一年仅能造出约 十亿分之一克反物质。人类历史总产量不足10纳克——还不够点亮60瓦灯泡4小时。
其次是代价太令人难以接受了，按现有技术，生产1克反物质需消耗 2500万亿度电，成本超 100万亿美元（接近全球GDP总量）。这使其成为人类制造过的最昂贵物质。
即使你手头有反物质，怎么储存也是一个难题！反物质接触任何容器壁（物质）都会瞬间湮灭。目前唯一的方法是将其悬浮在超高真空的电磁陷阱中。2011年，CERN团队首次将反氢原子“囚禁”了16分钟，已是重大突破。
然而，随着科学家的不断努力，在制造反物质的问题上，我们看到了希望。
新希望：“反物质快递车”登场

反物质研究的瓶颈不仅是制造，更在于测量环境。CERN工厂内部充斥着加速器运行的巨大电磁噪声，干扰着对反物质性质的精密测量（如磁矩、电荷质量比）。
2025年，CERN的BASE-STEP实验带来革命性突破：成功将囚禁在“冰箱”中的质子云（未来可替换为反质子）搬上了卡车！

CERN BASE实验的一部分，在CERN实验室生产和储存反物质

这套“反物质快递车”的核心是：

超导磁铁“冰箱”：内部温度接近绝对零度（4K），将粒子云锁在电磁陷阱中。

自持系统：自带液氦罐维持低温，电池组供应电力，可脱离电网运行 4小时。

防震设计：可承受卡车运输中的颠簸（最大加速度7.7 m/s²）。

无损运输：2025年5月的实验中，105个质子被运输3.72公里后 无一丢失（图3）。

欧洲核子研究中心科学家设计陷阱在设施之间运输反物质

通过此设备，科学家可将反质子运抵远离加速器噪声的“静音实验室”（如德国杜塞尔多夫大学）。在那里，测量精度有望提升 100倍以上！这将使检验CPT对称性——粒子物理标准模型的基石理论（认为物质与反物质遵循完全相同的物理规律）——达到前所未有的水平。
终极目标：寻找那微小的不对称
如果实验发现反质子的磁矩或电荷质量比与质子存在 哪怕万亿分之一的差异，都将撼动物理学大厦。这或许能解释：为何大爆炸后，每 100亿个 物质与反质子的湮灭中，侥幸残留了1个物质粒子——它最终构成了我们所见的一切。
反物质未来：科幻能否照进现实？
反物质的能量密度令人垂涎：1克反物质湮灭释放的能量 ≈ 2万吨TNT ≈ 62颗广岛原子弹。科幻作品常将其描绘为终极能源或武器。但现实很骨感。

未来的反物质武器

首先，能源效率倒挂。目前生产1单位反物质能量，需投入 10亿倍 能量。罗伯特·福沃德曾乐观估计，优化工厂设计或可将效率提升至0.01%，但这仍意味着巨大能量净亏损。
那么，太空工厂是出路吗？
有人设想在太空建造反物质工厂，利用戴森球的巨量太阳能（1平方公里集热板可获1吉瓦功率）。若效率提升，理论上每天可产1克反物质。但这依赖可控核聚变等尚未突破的技术。
目前，有理论推测宇宙中存在由“奇异夸克物质”（如CCOs块）构成的“反物质矿”，通过安德列夫反射可高效提取反粒子。但这仍是未被证实的猜想。
CERN的“反物质快递车”BASE-STEP，标志着一个新纪元。反物质精密研究终于挣脱了加速器的枷锁。它虽不能立刻解答“宇宙为何由物质主导”，却为我们提供了前所未有的探测工具。如同拼凑一幅浩瀚的宇宙拼图，每一块反氢原子的精确测量数据，都可能指向那缺失的“反物质碎片”消失的关键线索。
参考文献

https://www.scienceabc.com/eyeopeners/can-eating-bananas-kill-radiation-poisoning.html

https://www.sciencealert.com/physicists-may-have-figured-out-how-to-safely-transport-antimatter

https://www.physoc.org/magazine-articles/40k-from-ancient-supernovae-to-bananas-and-beyond/

https://newatlas.com/physics/cern-base-step-transport-antimatter/

https://angelsanddemons.web.cern.ch/antimatter/making-antimatter.html

https://home.cern/news/press-release/cern/start-cerns-new-antimatter-factory

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1克反物质湮灭释放的能量 ≈ 2万吨TNT ≈ 62颗广岛原子弹………这个数据有问题，广岛原子弹当量大约为1.5万吨TNT