反物质，在路上

欧洲核子研究组织（CERN）是位于瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室。2026年3月，在一个阳光明媚的日子，一辆卡车从CERN园区内众多建筑中的一栋缓缓驶出，随后在园区内行驶了7.5千米。

在CERN的园区里，运输不同寻常的实验设备并不罕见，但这次卡车运输却引起了全球媒体的关注。这是因为，这辆卡车所运输的东西，有望帮助回答一个再基本不过的问题——关于我们为何存在的问题。

卡车上安装了一套名为BASE-STEP的精巧装置，一套可运输的超高真空彭宁阱，其中封存了92个反质子。如今，BASE合作组的研究人员在《自然》杂志上发表了这项开创性实验的研究结果和实践经验。其中一个重要成果便是：研究人员首次实现了将反质子在可移动运输容器中储存超过一个月。

  寻找差异  

反质子是质子的反物质对应粒子。每一种物质粒子都有与之对应的反粒子。二者几乎完全相同，主要区别在于其电荷和磁性性质相反。这类反物质粒子既可以在自然界中产生——例如当高能宇宙线撞击地球大气中的气体原子时——也可以在人造粒子加速器中产生。

在高能环境中，粒子和反粒子可以成对产生；而当二者相遇时，又会彼此湮灭。按照标准模型，在宇宙诞生之初，物质和反物质应该大量成对产生并不断湮灭。如果它们全部湮灭，那么后来就不会有恒星、行星以及地球上的生命。因此，一定存在某种机制，使早期宇宙最终产生了今天观测到的物质与反物质的不对称。物质与反物质之间是否存在某种极其微小的差异，正是物理学家正在探索的一种可能性。

将质子与反质子进行比较，是寻找物质与反物质之间差异最有希望的方法之一。

  将反质子带离CERN  

所有高能加速器都会大量产生反质子，但目前全世界只有一个地方，能够把反质子的速度降低到足够低，使其可以被约束在粒子阱中，并开展极高精度的测量。这个地方就是CERN的反物质工厂。

物理学家已经利用反物质工厂中的装置，对反质子和质子的基本性质开展了高精度光谱测量。他们最关注的主要是这它们的质量和内禀磁矩。如果能通过比较这些数值，并发现质子与反质子之间存在微小但具有统计意义的差异，那么都将可能为理解宇宙中观测到的物质—反物质不对称的起源提供线索。

CERN的研究人员已经能够把质子和反质子测量并比较到小数点后11位，但仍然没有发现任何差异。因此，研究人员希望进一步提升测量精度，从而能够把质子和反质子的性质精确比较到至少小数点后12位、13位，甚至14位。

然而，CERN拥有大量粒子加速器，其中使用着极其强大的磁体，这些设备会对周围环境产生影响。磁场的干扰使得这种精度在加速器中实现无望，只能在CERN之外的实验室中实现。因此，他们正在德国杜塞尔多夫的海因里希·海涅大学建设一座专门的低噪声实验室。

按照目前计划，海因里希·海涅大学的这座实验室将在2027年建成。届时，研究人员需要把CERN产生的反质子一路运输到新实验室，目标是一次运输至少1万个反质子。

  实现30多年前的设想 

1993年，物理学家Ching-Hua Tseng和Gerald Gabrielse曾报道，他们利用一套便携式彭宁阱，将电子沿公路运送了5000千米。彭宁阱是一种利用电场和磁场，在三维空间中俘获带电粒子的装置。他们当时就提出，同样的方法原则上也可以用于运输反质子。

但问题是，与电子不同，反质子一旦与普通物质发生碰撞，就会发生湮灭，因此操控它们极其困难。从反质子的产生一直到最终运输，在每一个环节中都可能损失一部分反质子。而如果想让剩下的反质子存活足够长的时间，就必须维持一种几乎可以与星际空间相比的极高真空环境。

为此，BASE合作组开发了BASE-STEP， 这是一套高精度、可移动的彭宁阱。这套装置的一个关键部件，是一个专门用于接收并密封反质子的入口阀门。实验开始时，反质子可以通过这个入口被注入阱内；当粒子进入后，阀门随即关闭，将反质子封存在装置内部。 这是一种新的设计，它能够尽可能减少泄漏，并维持阱内的高真空环境。

进入装置的粒子首先穿过一层很薄的箔片，由此进一步减速；随后，其中只有速度最慢的一小部分反质子会被磁场成功俘获。 反质子注入阱中之后，研究人员还会将其中混杂的其他离子过滤掉。

随后，为了降低功耗，研究人员会将磁场强度逐步降低，并将整套BASE-STEP装置通过吊车运出反物质工厂，最终装到一辆卡车上。卡车在CERN园区内行驶了半小时，路程约为7.5千米。 运输过程中，BASE合作组定期对装置中的反质子进行监测。

运输结束后，团队成功将装置从卡车上卸下。整个过程中，储存的反质子一个也没有损失：92个反质子全部安然无恙地返回了反物质工厂。这次实验验证了1993年提出的设想：反质子可以被长时间俘获，并真正通过公路运输。这一成果标志着反质子精密测量进入一个新的阶段。

  下一站，CERN之外  

对于BASE合作组来说，BASE-STEP为更高精度地比较物质与反物质、寻找二者之间可能存在的细微差异打开了道路。但这或许只是一个开始——一旦反物质能够走出反物质工厂，被运送到其他实验室，就可能催生出过去无法实现的研究方式，甚至开启新的反物质实验。

让反物质真正“上路”用了几十年时间。如今，下一步已经很明确：把它们送得更远，并最终让反物质能够被运送到世界各地的实验室。