基于对大爆炸物理的兴趣,欧洲核子研究中心制作了高能的反质子束,这个工程使用了大量的装置。想要将反质子捕获并储存在很小的容器内,你需要尽量安静的反质子。因此,欧洲核子研究中心的科学家和工程师团队各显神通,最终建起了一个慢化反质子的储存环,被称为“低能反质子环”(Low Energy Antiproton Ring),简称LEAR。汉斯的一个同事加布里埃尔斯接受了一个挑战性任务:将反质子从低能反质子环中提取出来并用潘宁陷阱捕获住。
相对正电子而言,反质子的问题是块头太大,制造它们就需要更高的能量,继而会产生讨厌的抖动。欧洲核子研究中心简单总结了此项挑战的关键:首先必须创造出高于太阳中心的温度,用于产生反质子;接着为了将其储存在潘宁陷阱中,又必须把它们的温度冷却到低于外太空,同时需要的真空度还高于月球表面。要达到如此低温,传统的方法是液氮冷却。然而,液氮由质子和中子构成,它们一与反质子接触就会发生湮灭。加布里埃尔斯想要储存反质子,而不是湮灭反质子!所以就像巴克一样,他也使用了冷电子气体作为替代的冷却剂。
他所使用的陷阱长度大约为15厘米(约6英寸)。当反质子进入以后,电压升高从而产生电屏蔽,就像关上了陷阱板一样。他在1986年首次捕获了反质子,而短短3年之后就可以将6万个反质子储存4天之久了。但是他的目标是要对少量的反质子进行高精度、长时间的储存。直到1991年,他已经可以将100个反质子储存数月之久;1995年,终于达成了储存单个反质子这一目标。首先,他把约10000个反质子和冷却气体中大量的电子禁锢住。接着,轻微地给出电压脉冲,就像打开一扇小窗户,通过小窗户电子可以逃离,而笨重的反质子会被卡住。然后,再次调整电压,开始允许一些反质子逃离直到只剩下12个。这12个反质子都在磁场中盘旋,但是速率各不相同。接着,调整一束激光,将跑得最快的那个踢出来;就这样,反质子一个接一个被踢出来,直到最后一个剩下。这时候,将电压升高,陷阱完全关闭,留下一个孤独的反质子在磁瓶中独舞。
成功禁锢住单个反质子之后,加布里埃尔斯的团队就可以随意研究它了。他们将其与质子比较,比较它们在电场和磁场中的行为。这些实验证实:质子和反质子也相互呈完美镜像;它们的电荷相反,而在高于千亿分之九的测量精度下,测得的单位质量所带电荷量仍然相同。
利用禁锢的反质子进行的另一项研究是关于是否存在反重力的。我们知道,物质在重力作用下会掉落,而根据物质和反物质的对称性,反物质会掉向反地球。但是在地球重力下,反物质会往下掉还是往上升呢?虽然没人对此百分百确定,但反物质会感受到反重力这件事似乎也不是完全没有可能。如果要检验,那么最好的办法似乎就是反质子,因为它的质量是正电子的近2000倍。这个想法是洛斯阿拉莫斯实验室的一个团队在20世纪80年代的一次欧洲核子研究中心委员会会议中提出的。当时没有人觉得能完成这个检验,因为需要的探测敏感度远超出了当时的技术能力范围;但是这个挑战本身又意义重大,我们确信它会对反物质技术产生根本性的促进。
今天,距离正电子的发现已经过去80多年,距离反质子的发现也过去了半个多世纪,所有的一切都证明了反粒子是粒子的自然镜像,是自然的阴阳两面。但是,我们仍然不知道在重力作用下反物质是会落下还是上升。