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1928年，物理學家狄拉克發表了一個結合了量子力學和狹義相對論的方程。方程中的負能量解並不像先前認為的那樣是非物理性的，而是預示著存在一類從未被觀察到的全新粒子——反物質。這一預言隨著安德森在1932年發現正電子（電子的反粒子）得到了證實。雖然物理學家一直在研究反物質，但一個與反物質有關的謎題至今仍未得到解決。
當你抬頭仰望星空時，你會看到行星、恆星、星系，它們都是由物質構成的。雖然在閃電、香蕉中也有非常微量的反物質，但我們所生活的宇宙卻是由物質主宰的。為什麼不是反物質？這是現代物理學最大的謎團之一。但如果在大爆炸後，一種所謂的CPT對稱性發生了輕微的破缺，那麼就可以解釋為什麼今天的宇宙中缺少反物質。
CPT對稱告訴我們物理定律在電荷共軛（C）、宇稱反轉（P）和時間逆轉（T）的聯合變換下保持不變：
也就是說，在一個充滿反物質且時間倒流的鏡像宇宙中，將具有與我們這個宇宙相同的物理學定律。
為了檢驗CPT，一些物理學家開始尋找物質和反物質之間的差異。由於氫原子在宇宙演化和我們對量子物理學的發展歷史中扮演著重要的角色，因此物理學家對它的反物質——反氫原子尤其感興趣。
在一篇剛發表於《自然》 的論文中，ALPHA團隊報告了對反氫原子的高精度光譜測量。根據粒子物理學的標準模型，氫原子和反氫原子應該具有相同的能級和譜線。這次的新結果也表明了，反氫原子的能級之間的能量差與之前在普通氫原子上測量的符合得非常好，這為潛在的CPT破缺做出了強有力的限制。
○ 反氫原子是由一個反質子和一個正電子組成的。
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氫是宇宙中最簡單、含量最豐富的原子，物理學家可以非常精確地計算出它的性質。早在19世紀80年代，氫的光譜就已經得到了精確的測量，但直到上個世紀10年代才得到定量的解釋。
1947年，在謝爾特島舉辦的關於量子力學基礎的會議上，物理學家蘭姆報告了氫原子精細結構中的一個意想不到的特徵：2S1/2和2P1/2態的分裂，即蘭姆位移：
這一發現激發了其他的物理學家，推動了量子電動力學（QED）的發展。QED是一個用來描述粒子和光之間的相互作用的理論。
蘭姆位移既存在於氫原子中，也存在於反氫原子中。它是由電子與真空中的量子漲落相互作用產生的。然而，它的大小會受到一些因素的微妙影響，比如質子或反質子的電荷半徑（電荷分佈的空間範圍）等。
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○ ALPHA實驗。| 圖片參考來源：MAXIMILIEN BRICE, JULIEN ORDAN/CERN
ALPHA實驗是在歐洲核子研究中心（CERN）進行的。實驗室中有一個周長182米的反質子減速器，以接近光速進入該設備的反質子會被減速，再被送到ALPHA實驗中，正電子則來自放射性鈉源。
在非常低的溫度（接近絕對零度）下，每隔4分鐘就有9萬個反質子和300萬個正電子混合在一起，這個過程會產生大約20個的反氫原子，接著它們會被限制在磁阱中。通常情況下，這些反氫原子可以被儲存至少60個小時，這使得重複產生過程可以在幾小時內獲得數百個反氫原子。
ALPHA的研究目標是測量反氫原子的1S1/2與2P1/2和2PS3/2之間的能量差：
○ 反氫原子的最低能級態。| 圖片參考來源：Nature
ALPHA團隊使用了一種叫做激光光譜學的方法，將短激光脈衝注入反氫原子阱，這將使原子從基態1S1/2躍遷到2P1/2或2PS3/2態。隨著原子重新回到1S1/2態，一些特定的原子不再被困在磁阱中，它們會撞上阱壁中的普通原子並湮滅。
研究人員繪製了湮滅的數量和激光頻率的關係圖。通過識別圖中的兩個峰的位置，研究人員可以推斷出反氫原子的1S1/2-2P1/2和1S1/2-2P3/2的能量差。利用這些結果，研究人員可以估計反氫原子的精細結構分裂（2P1/2-2P3/2能量差）。
接著，研究人員結合了這次的測量與2018年ALPHA實驗對1S1/2和2S1/2能量差的測量，推斷出了蘭姆位移（2S1/2-2P1/2）。他們發現，所有的結果都與在普通氫原子中的測量一致。
雖然在這次測量中研究人員並沒有發現物質和反物質之間的行為有任何差異，但此次的研究為未來對一些基本量的更高精度測量鋪平了道路。例如，如果能夠將蘭姆位移的不確定性減少到小於一萬分之一，那麼就可以確定反質子的電荷半徑。
擴展閱讀：《時空結構的基石》
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00384-y#ref-CR11
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0017-2
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2006-5
https://home.cern/news/news/physics/alpha-collaboration-cern-reports-first-measurements-certain-quantum-effects
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