ELENA – 这个漂亮的名字代表超低能量反质子减速环，CERN的一个 30 米宽的减速环，可将现有CERN反质子减速器中的 5.3 MeV 反质子减速到令人难以置信的 0.1 MeV，这样它们就可以其他物质则通过所谓的潘宁磁阱捕获，并与正电子结合形成反氢。
VAT全金属真空阀技术在其中发挥着重要作用，因为它在高温和辐射的工作条件下仍能保持完整的功能。动态硬对硬密封技术将 XHV 条件下的可重复气密密封与全金属设计相结合。
检查单个反氢原子
ELENA 的中心目标是尽可能长时间地保持反物质的活性。取得巨大成功：目前，ELENA 减速过程后的陷阱实现了 15 分钟到一年的反物质寿命！但在所谓的低温陷阱中捕获反物质的尝试——即带有低温恒温器的可运输陷阱，其压力达到 10-18 毫巴——也是 ELENA 议程的重点（更多细节请参阅 PUMA 实验）。
鉴于反物质的寿命极短，ELENA 系统必须考虑各种特殊阀门和真空技术特性。例如，减速环中的所有入口和出口必须完全金属密封，以维持所需的压力和排气值。这就是 VAT 充分利用其多年的 XHV 专业知识的领域，例如，经过验证的 VAT 48系列全金属闸阀。
CERN研究人员的另一项任务是：他们想要通过光谱研究反氢原子，然后比较引力对物质和反物质的影响。在所谓的 GBAR 实验（静态反物质引力行为的缩写）中，ELENA 帮助产生的电中性反氢原子将从 20 厘米的高度掉落，然后记录下落过程，直到它们消失。由于 ELENA 具有使所研究的反原子尽可能保持“静止”的出色能力，GBAR 研究人员确信，即使是与相对较弱的引力有关的物质和反物质行为的最小差异也可以被检测到。
2018 年 10 月，GBAR 收到了来自 ELENA 的第一束反质子束。从那时起，科学家们一直在狂热地研究研究结果，以进一步解决围绕宇宙中物质和反物质不对称分布的巨大谜团。在此过程中，他们也依赖于VAT全金属真空阀技术。
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位于瑞士的欧洲粒子物理欧洲核子研究中心 (CERN) 实验室在许多方面都非常特别。例如，雄伟的CERN粒子加速器一直是全城的热门话题，2018 年，人们首次在实验中检测到臭名昭著的希格斯玻色子衰变为两个底夸克。ELENA，是超低能量反质子减速环的缩写，虽然不那么引人注目，但就其对基础研究的意义而言同样重要。 193 号展厅展示了是ELENA 减速环，在那里可以回顾辉煌它的历史：1995 年，欧洲粒子物理CERN研究人员正是在这里首次成功生产和测量了反氢。
反物质的相反性质
但反物质到底是什么？反物质是由反粒子组成的物质。那么反粒子是什么？反粒子与它们的物质对应物令人困惑地相似，但它们都具有相反的电荷。例如，质子带正电，而反质子则带有负基元电荷。电子带正电的反粒子是反电子，因其带正电荷也称为正电子。这种“伙伴粒子”的存在是由理论物理学家保罗·狄拉克于 1928 年首次提出的。当他更详细地研究狄拉克方程（一种基于狭义相对论的描述电子的波动方程）时，他惊讶地发现他的方程总是给出两种可能的解，一种具有正能量，另一种具有负能量。
经过仔细考虑，狄拉克得出结论，这种数学好奇心实际上可能反映了一个物理事实，通过将两种解决方案解释为两种不同的粒子：一个粒子是熟悉的电子，另一个粒子是等质量的反电子，其相反的电荷使其合理地解释了为什么两个粒子的能量具有不同的符号。
反物质不是白日梦！
听起来很奇怪；因此，狄拉克的想法最初在科学界受到相当多的不理解也就不足为奇了。但仅仅四年后，即 1932 年 8 月 2 日，美国物理学家卡尔·大卫·安德森 (Carl David Anderson) 就做出了一项了不起的发现。当时，安德森正在对来自宇宙的粒子辐射进行详细分析。他使用云室可视化了所有粒子的路径，从而能够得出有关其特性的有价值的结论。在此过程中，他注意到一种非常特殊的粒子，其质量几乎与电子的质量完全一致，但具有完全相反的正电荷。起初，没有人能够理解这一发现。但很快专家们就想起了狄拉克和他关于带正电的电子的假设。这个假设现在被安德森的实验所证实：安德森发现了电子的反粒子！
人们很快就发现，每个已知的基本粒子都有一个“伙伴”，即反粒子。 1955 年，在 Bevatron 粒子加速器的实验中首次检测到反质子，随后于 1956 年检测到反中子，不久之后又检测到反氘核、反氚核和反氦核。如今，反粒子是所谓标准模型中不言而喻的一部分，该模型描述了宇宙中发生的所有已知基本粒子或力。到目前为止，所有实验和理论都揭示了物质和反物质的基本相同的物理行为，因此它们确实是“伙伴粒子”，而不仅仅是某些参数的巧合匹配。
物质和反物质互相湮灭
粒子和反粒子“共同的事情”这一事实在粒子对湮灭现象中表现得最为明显。事实上，如果反粒子遇到它的物质伙伴粒子，这两个粒子就会互相湮灭。根据爱因斯坦著名的公式 E = mc2，两个粒子的全部质量都以能量的形式释放——在电子-正电子完全湮灭的情况下，以电磁辐射的形式释放，而在较重的粒子对的情况下，有时也以其他粒子的形式释放。
反之亦然，由于爱因斯坦的能量质量公式，电子-正电子对可以准无中生有：从高能、电中性光子中，两个粒子物质化，其质量对应于底层辐射的能量，其相反的电荷保证了总电荷（在这种情况下：不带电荷）被保留。
反粒子作为反分子组合
但不仅如此！与它们的物质伙伴粒子非常相似，反粒子也可以结合在一起形成原子或分子。因此，反原子具有反电子壳和由反质子和反中子构成的原子核。
例如，在自然宇宙辐射中观察到诸如正电子之类的光反粒子。放射性制剂的衰变过程中也会产生正电子。事实上，医生利用这种效应通过所谓的 PET 扫描仪（正电子发射断层扫描的缩写）在早期阶段检测肿瘤。然而，由于游离反物质在很短的时间内与物质发生反应并在此过程中被破坏，因此较重的反粒子很少出现，反原子或反分子根本不会自然出现。 （迄今为止观察到的最重的反原子核是反氦 4，是 2011 年在美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机进行实验时发现的。）这就是 ELENA 等研究设施发挥作用的地方，在这里通过成对反应产生，可以人工合成反氢等物质。
在 ELENA 减速环的帮助下，CERN的研究人员希望揭开围绕反物质粒子的剩余谜团。
来源: CERN (Maximilien Brice.)
产生反原子
首先，这个生产过程需要（带负电的）反质子和（带正电的）正电子。反质子是在欧洲核子研究中心的特殊设施中通过向铱靶发射高能质子束而产生的。产生的反质子随后在 ELENA 减速环中冷却和减速，随后被限制在磁阱中。另一方面，正电子来自放射性 Na-22 原子核，它们在出现后也必须被冷却和捕获。然后需要耐心，因为为了使冷反粒子结合成反氢原子，一个反质子和两个正电子必须在正确的时间出现在正确的位置（所谓的三粒子重组）。之后，剩下的“唯一”任务就是分裂出一个正电子，那么反氢原子就准备好了！
当然，刚才描述的过程绝非微不足道，它需要最高水平的科学工作。事实上，ELENA 和 GBAR 等相关实验是欧洲核子研究中心的另一个充分利用技术可行领域的应用。 ELENA 团队的研究成员 Jose Antonio Ferreira Somoza 说：“通过这个项目，我们是突破科学极限的真正先驱！
最重要的是，ELENA 周围的真空阀必须具有极高的精度和可靠性；毕竟，大多数机器在 XHV 条件下运行，即压力范围在 10-11 和 10-12 mbar 之间。 “为了实现如此低的真空，所有组件都必须不含挥发性物质，否则真空系统将受到不可接受的污染，”Jose Antonio Ferreira Somoza 描述了这个问题。 “因此，我们必须进行大量的烘烤工作，并且由于烘烤过程中会使用高热量，因此我们需要能够承受相应热负荷的真空组件。”
XHV 真空得益于 VAT 全金属闸阀
具体来说，ELENA 开发人员选择了 VAT 48系列（DN 63 和 DN 100）的特殊全金属闸阀，该阀有两个带有 CF 法兰的侧端口（DN 40）。 “48 系列全金属闸阀专为 UHV 和 XHV 应用中的可靠关闭而设计，阀门的环境温度高达 300°C。它们还可以承受高达 108 Gy 的辐射，”Jürg 说道。VAT的销售经理 Öhri 描述了该阀门系列的优点。两个端口之一用于连续测量阀盘周围的真空度。第二个端口有两种功能，具体取决于阀门的位置。 Jose Antonio Ferreira Somoza 解释道：“如果出于维护原因必须对某个扇区进行通风，我们可以通过此端口连接一个前级泵，将有问题的扇区重新置于真空状态。另一方面，它也可以作为注入端口用于氖气。”
为什么是霓虹灯？ Jürg Öhri 了解这里的技术背景：“为了可靠地达到所需的 XHV 真空范围，整个减速环的内部必须涂有 NEG（非蒸发吸气剂）。但是，当减速环排气时，问题就出现了NEG 涂层对氧气非常敏感。因此，首先引入氖气，可以这么说，让涂层进入睡眠状态。”这一技术要求非常高的过程非常值得付出努力，正如 Jose Antonio Ferreira Somoza 提出的那样：“NEG 涂层用作 UHV 泵，与其他泵结合使用，可实现巨大的抽速！”
请尽量减少排气！
ELENA 的另一个关键点是如何保持排气过程尽可能精简。正如 Jose Antonio Ferreira Somoza 所说：“除气确实是该系统的绝对关键！主要气体来源是从环的金属部分（例如阀门波纹管）扩散的氢气。这就是为什么我们用于真空室的几乎所有金属部件都必须在真空中烘烤，然后才能在 ELENA 安全使用。”
ELENA 的发明者必须克服多少技术和概念上的挑战！但欧洲核子研究中心开发人员再次完成了出色的工作，并与 ELENA 一起在科学领域树立了另一个里程碑！ ELENA 的前身 LEAR（低能反质子环的缩写）早在 1995 年就引起了轰动，当时那里的研究人员首次成功生产了一些反氢原子。 2010 年，欧洲核子研究中心研究人员成功地在一种名为 AD（反质子减速器的缩写）的改进装置中产生了 38 个单独的反氢原子，其中一些可持续长达一刻钟。对反物质的测量变得越来越精确，每一次测量都证实了狄拉克的假设，即物质和反物质除了电荷符号之外彼此相似。
ELENA登上舞台
2017年，新的ELENA减速环投入运行，以便能够进行更精确的反物质研究。这里的基本思想是，反质子的速度越慢，它们的性质可以被更精确地测量，并且更有希望尝试操纵它们或移动它们形成化学键。与 AD 布局相比，实验区域没有显着改变，但光束能量低得多，需要对传输线进行彻底的重新设计。新型 ELENA 环中的光束冷却可实现极高的减速效率和增加的相空间密度，从而将捕获的反质子数量增加 10 至 100 倍。多个实验站，例如 BASE、GBAR、ALPHA、AEGIS 、ASACUSA 或 PUMA 与减速环耦合，从而可靠地由 ELENA 提供最高质量的低能反质子。更多的实验区已经在规划中……
不对称的重大问题
这一切都始于值得诺贝尔奖的保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 的正电子脑波，以及卡尔·大卫·安德森 (Carl David Anderson) 对正电子的同样巧妙的发现，后者也荣获 1936 年诺贝尔物理学奖。但是（至少）还有一个脑波最终回答关于反物质的一个非常核心的问题需要同一类别的研究：尽管物质和反物质之间存在明显的对称性，但为什么我们的宇宙中物质似乎比反物质更多。这种不平衡的原因是基本粒子物理学最后的重大谜团之一。换句话说：为什么我们所知道的物质会存在相对较长的时间，而不会被其相关的反粒子捕获并崩溃成能量爆发？
当然，最简单的假设是，它根本不是物质过剩，而是相关的反物质一直隐藏在宇宙的遥远角落，例如完全由反物质组成的星系。但如今，科学家们可以根据现代宇宙学模型在很大程度上排除这一假设。相反，今天的大多数研究人员认为，物质和反物质在大爆炸期间是等量产生的，而物质的明显过量是由于宇宙早期阶段极其微弱的对称性破缺造成的——如此弱，以至于对于每十亿个粒子——反粒子对，只有一个多余的粒子。即使这种最小的不平衡也为我们在宇宙中发现的物质过剩提供了一个合理的解释。从这个意义上说，我们的生命都归功于这个小小的盈余。
哪个对称性被破坏了？
然而，对于这种对称性破坏的背景存在分歧。它不能从标准模型中推导出来。最初，人们假设反粒子的所有物理/化学过程都以与正常粒子相同的方式进行，换句话说，假设电荷共轭下的物理定律具有不变性，简称 C 不变性。但很快中微子实验表明弱相互作用不是 C 不变的。奇怪的是，额外的空间方向交换恰好抵消了所发现的 C 不变性的违反，因此至少保留了所谓的 CP 不变性。 （P 来自空间反射的术语“宇称”。）
但和平并没有持续多久，因为 1964 年，美国物理学家詹姆斯·克里斯滕森 (James Christenson) 周围的一个研究小组观察到，在所谓的 K 介子衰变过程中，CP 对称性被破坏（他们因此获得了在1980年诺贝尔物理学奖）。很快，随着 B 介子的出现，更多的奇特粒子被发现，其中 CP 对称性被打破。当时许多科学家认为物质与反物质不对称性的问题已经非常接近解决了！但后来事实证明，这种 CP 现象太弱，不足以成为宇宙中可观测到的不对称性的唯一原因。
我们可以依赖 CPT 不变性
至少有一种对称性被证明是毫无疑问的，那就是 CPT 不变性。著名的 CPT 定理（以其发现者的名字命名，也称为泡利-吕德斯定理）指出，所有物理定律对于电荷符号 (C)、空间反射 (P) 和时间方向反转 (T) 的同时变化都是不变的。 ）。迄今为止，这种 CPT 不变性已被证明是无可辩驳的。例如，2012 年，在加利福尼亚州 SLAC 研究所的 BaBar 探测器中，对电子和正电子的碰撞进行了详细研究，首次表明，在 K 介子衰变等 CP 破坏过程中， T 不变性也被违反，因此 CP 违规就被抵消了。 2016年，CERN的研究人员成功详细研究了反氢的1s-1s跃迁，并证明与氢的相应谱线具有极高的一致性。这可以看作是CPT定理有效性的进一步证据。
如今，研究人员假设未来的基本粒子理论将具有 CPT 不变性，并且 CP 不变性至少是物质和反物质明显不对称性的必要条件。围绕ELENA的科学实验有望陆续揭开谜题的其余部分，从而为我们提供关于物质-反物质不对称这一大问题的全面答案。
ELENA带来的新机会
欧洲核子研究中心研究人员正在寻求的一种有希望的方法与重力有关。尤其是由于引力的作用相对较弱，目前还没有特别深入地研究反物质在引力场中的行为方式，以及它的反应是否可能与物质有所不同。凭借由 ELENA 的低能反质子构建的近静止（中性）反氢原子，以及越来越好的测量方法，现在可以更详细地研究重力的影响。虽然研究人员高度肯定地假设反粒子不会在重力作用下向上飞行，但即使是最小的偏差也可能产生至关重要的差异！
反物质的相反性质
但反物质到底是什么？反物质是由反粒子组成的物质。那么反粒子是什么？反粒子与它们的物质对应物令人困惑地相似，但它们都具有相反的电荷。例如，质子带正电，而反质子则带有负基元电荷。电子带正电的反粒子是反电子，因其带正电荷也称为正电子。这种“伙伴粒子”的存在是由理论物理学家保罗·狄拉克于 1928 年首次提出的。当他更详细地研究狄拉克方程（一种基于狭义相对论的描述电子的波动方程）时，他惊讶地发现他的方程总是给出两种可能的解，一种具有正能量，另一种具有负能量。
经过仔细考虑，狄拉克得出结论，这种数学好奇心实际上可能反映了一个物理事实，通过将两种解决方案解释为两种不同的粒子：一个粒子是熟悉的电子，另一个粒子是等质量的反电子，其相反的电荷使其合理地解释了为什么两个粒子的能量具有不同的符号。
反物质不是白日梦！
听起来很奇怪；因此，狄拉克的想法最初在科学界受到相当多的不理解也就不足为奇了。但仅仅四年后，即 1932 年 8 月 2 日，美国物理学家卡尔·大卫·安德森 (Carl David Anderson) 就做出了一项了不起的发现。当时，安德森正在对来自宇宙的粒子辐射进行详细分析。他使用云室可视化了所有粒子的路径，从而能够得出有关其特性的有价值的结论。在此过程中，他注意到一种非常特殊的粒子，其质量几乎与电子的质量完全一致，但具有完全相反的正电荷。起初，没有人能够理解这一发现。但很快专家们就想起了狄拉克和他关于带正电的电子的假设。这个假设现在被安德森的实验所证实：安德森发现了电子的反粒子！
人们很快就发现，每个已知的基本粒子都有一个“伙伴”，即反粒子。 1955 年，在 Bevatron 粒子加速器的实验中首次检测到反质子，随后于 1956 年检测到反中子，不久之后又检测到反氘核、反氚核和反氦核。如今，反粒子是所谓标准模型中不言而喻的一部分，该模型描述了宇宙中发生的所有已知基本粒子或力。到目前为止，所有实验和理论都揭示了物质和反物质的基本相同的物理行为，因此它们确实是“伙伴粒子”，而不仅仅是某些参数的巧合匹配。
物质和反物质互相湮灭
粒子和反粒子“共同的事情”这一事实在粒子对湮灭现象中表现得最为明显。事实上，如果反粒子遇到它的物质伙伴粒子，这两个粒子就会互相湮灭。根据爱因斯坦著名的公式 E = mc2，两个粒子的全部质量都以能量的形式释放——在电子-正电子完全湮灭的情况下，以电磁辐射的形式释放，而在较重的粒子对的情况下，有时也以其他粒子的形式释放。
反之亦然，由于爱因斯坦的能量质量公式，电子-正电子对可以准无中生有：从高能、电中性光子中，两个粒子物质化，其质量对应于底层辐射的能量，其相反的电荷保证了总电荷（在这种情况下：不带电荷）被保留。
反粒子作为反分子组合
但不仅如此！与它们的物质伙伴粒子非常相似，反粒子也可以结合在一起形成原子或分子。因此，反原子具有反电子壳和由反质子和反中子构成的原子核。
例如，在自然宇宙辐射中观察到诸如正电子之类的光反粒子。放射性制剂的衰变过程中也会产生正电子。事实上，医生利用这种效应通过所谓的 PET 扫描仪（正电子发射断层扫描的缩写）在早期阶段检测肿瘤。然而，由于游离反物质在很短的时间内与物质发生反应并在此过程中被破坏，因此较重的反粒子很少出现，反原子或反分子根本不会自然出现。 （迄今为止观察到的最重的反原子核是反氦 4，是 2011 年在美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机进行实验时发现的。）这就是 ELENA 等研究设施发挥作用的地方，在这里通过成对反应产生，可以人工合成反氢等物质。
在 ELENA 减速环的帮助下，CERN的研究人员希望揭开围绕反物质粒子的剩余谜团。
来源: CERN (Maximilien Brice.)
产生反原子
首先，这个生产过程需要（带负电的）反质子和（带正电的）正电子。反质子是在欧洲核子研究中心的特殊设施中通过向铱靶发射高能质子束而产生的。产生的反质子随后在 ELENA 减速环中冷却和减速，随后被限制在磁阱中。另一方面，正电子来自放射性 Na-22 原子核，它们在出现后也必须被冷却和捕获。然后需要耐心，因为为了使冷反粒子结合成反氢原子，一个反质子和两个正电子必须在正确的时间出现在正确的位置（所谓的三粒子重组）。之后，剩下的“唯一”任务就是分裂出一个正电子，那么反氢原子就准备好了！
当然，刚才描述的过程绝非微不足道，它需要最高水平的科学工作。事实上，ELENA 和 GBAR 等相关实验是欧洲核子研究中心的另一个充分利用技术可行领域的应用。 ELENA 团队的研究成员 Jose Antonio Ferreira Somoza 说：“通过这个项目，我们是突破科学极限的真正先驱！
最重要的是，ELENA 周围的真空阀必须具有极高的精度和可靠性；毕竟，大多数机器在 XHV 条件下运行，即压力范围在 10-11 和 10-12 mbar 之间。 “为了实现如此低的真空，所有组件都必须不含挥发性物质，否则真空系统将受到不可接受的污染，”Jose Antonio Ferreira Somoza 描述了这个问题。 “因此，我们必须进行大量的烘烤工作，并且由于烘烤过程中会使用高热量，因此我们需要能够承受相应热负荷的真空组件。”
XHV 真空得益于 VAT 全金属闸阀
具体来说，ELENA 开发人员选择了 VAT 48系列（DN 63 和 DN 100）的特殊全金属闸阀，该阀有两个带有 CF 法兰的侧端口（DN 40）。 “48 系列全金属闸阀专为 UHV 和 XHV 应用中的可靠关闭而设计，阀门的环境温度高达 300°C。它们还可以承受高达 108 Gy 的辐射，”Jürg 说道。VAT的销售经理 Öhri 描述了该阀门系列的优点。两个端口之一用于连续测量阀盘周围的真空度。第二个端口有两种功能，具体取决于阀门的位置。 Jose Antonio Ferreira Somoza 解释道：“如果出于维护原因必须对某个扇区进行通风，我们可以通过此端口连接一个前级泵，将有问题的扇区重新置于真空状态。另一方面，它也可以作为注入端口用于氖气。”
为什么是霓虹灯？ Jürg Öhri 了解这里的技术背景：“为了可靠地达到所需的 XHV 真空范围，整个减速环的内部必须涂有 NEG（非蒸发吸气剂）。但是，当减速环排气时，问题就出现了NEG 涂层对氧气非常敏感。因此，首先引入氖气，可以这么说，让涂层进入睡眠状态。”这一技术要求非常高的过程非常值得付出努力，正如 Jose Antonio Ferreira Somoza 提出的那样：“NEG 涂层用作 UHV 泵，与其他泵结合使用，可实现巨大的抽速！”
请尽量减少排气！
ELENA 的另一个关键点是如何保持排气过程尽可能精简。正如 Jose Antonio Ferreira Somoza 所说：“除气确实是该系统的绝对关键！主要气体来源是从环的金属部分（例如阀门波纹管）扩散的氢气。这就是为什么我们用于真空室的几乎所有金属部件都必须在真空中烘烤，然后才能在 ELENA 安全使用。”
ELENA 的发明者必须克服多少技术和概念上的挑战！但欧洲核子研究中心开发人员再次完成了出色的工作，并与 ELENA 一起在科学领域树立了另一个里程碑！ ELENA 的前身 LEAR（低能反质子环的缩写）早在 1995 年就引起了轰动，当时那里的研究人员首次成功生产了一些反氢原子。 2010 年，欧洲核子研究中心研究人员成功地在一种名为 AD（反质子减速器的缩写）的改进装置中产生了 38 个单独的反氢原子，其中一些可持续长达一刻钟。对反物质的测量变得越来越精确，每一次测量都证实了狄拉克的假设，即物质和反物质除了电荷符号之外彼此相似。
ELENA登上舞台
2017年，新的ELENA减速环投入运行，以便能够进行更精确的反物质研究。这里的基本思想是，反质子的速度越慢，它们的性质可以被更精确地测量，并且更有希望尝试操纵它们或移动它们形成化学键。与 AD 布局相比，实验区域没有显着改变，但光束能量低得多，需要对传输线进行彻底的重新设计。新型 ELENA 环中的光束冷却可实现极高的减速效率和增加的相空间密度，从而将捕获的反质子数量增加 10 至 100 倍。多个实验站，例如 BASE、GBAR、ALPHA、AEGIS 、ASACUSA 或 PUMA 与减速环耦合，从而可靠地由 ELENA 提供最高质量的低能反质子。更多的实验区已经在规划中……
不对称的重大问题
这一切都始于值得诺贝尔奖的保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 的正电子脑波，以及卡尔·大卫·安德森 (Carl David Anderson) 对正电子的同样巧妙的发现，后者也荣获 1936 年诺贝尔物理学奖。但是（至少）还有一个脑波最终回答关于反物质的一个非常核心的问题需要同一类别的研究：尽管物质和反物质之间存在明显的对称性，但为什么我们的宇宙中物质似乎比反物质更多。这种不平衡的原因是基本粒子物理学最后的重大谜团之一。换句话说：为什么我们所知道的物质会存在相对较长的时间，而不会被其相关的反粒子捕获并崩溃成能量爆发？
当然，最简单的假设是，它根本不是物质过剩，而是相关的反物质一直隐藏在宇宙的遥远角落，例如完全由反物质组成的星系。但如今，科学家们可以根据现代宇宙学模型在很大程度上排除这一假设。相反，今天的大多数研究人员认为，物质和反物质在大爆炸期间是等量产生的，而物质的明显过量是由于宇宙早期阶段极其微弱的对称性破缺造成的——如此弱，以至于对于每十亿个粒子——反粒子对，只有一个多余的粒子。即使这种最小的不平衡也为我们在宇宙中发现的物质过剩提供了一个合理的解释。从这个意义上说，我们的生命都归功于这个小小的盈余。
哪个对称性被破坏了？
然而，对于这种对称性破坏的背景存在分歧。它不能从标准模型中推导出来。最初，人们假设反粒子的所有物理/化学过程都以与正常粒子相同的方式进行，换句话说，假设电荷共轭下的物理定律具有不变性，简称 C 不变性。但很快中微子实验表明弱相互作用不是 C 不变的。奇怪的是，额外的空间方向交换恰好抵消了所发现的 C 不变性的违反，因此至少保留了所谓的 CP 不变性。 （P 来自空间反射的术语“宇称”。）
但和平并没有持续多久，因为 1964 年，美国物理学家詹姆斯·克里斯滕森 (James Christenson) 周围的一个研究小组观察到，在所谓的 K 介子衰变过程中，CP 对称性被破坏（他们因此获得了在1980年诺贝尔物理学奖）。很快，随着 B 介子的出现，更多的奇特粒子被发现，其中 CP 对称性被打破。当时许多科学家认为物质与反物质不对称性的问题已经非常接近解决了！但后来事实证明，这种 CP 现象太弱，不足以成为宇宙中可观测到的不对称性的唯一原因。
我们可以依赖 CPT 不变性
至少有一种对称性被证明是毫无疑问的，那就是 CPT 不变性。著名的 CPT 定理（以其发现者的名字命名，也称为泡利-吕德斯定理）指出，所有物理定律对于电荷符号 (C)、空间反射 (P) 和时间方向反转 (T) 的同时变化都是不变的。 ）。迄今为止，这种 CPT 不变性已被证明是无可辩驳的。例如，2012 年，在加利福尼亚州 SLAC 研究所的 BaBar 探测器中，对电子和正电子的碰撞进行了详细研究，首次表明，在 K 介子衰变等 CP 破坏过程中， T 不变性也被违反，因此 CP 违规就被抵消了。 2016年，CERN的研究人员成功详细研究了反氢的1s-1s跃迁，并证明与氢的相应谱线具有极高的一致性。这可以看作是CPT定理有效性的进一步证据。
如今，研究人员假设未来的基本粒子理论将具有 CPT 不变性，并且 CP 不变性至少是物质和反物质明显不对称性的必要条件。围绕ELENA的科学实验有望陆续揭开谜题的其余部分，从而为我们提供关于物质-反物质不对称这一大问题的全面答案。
ELENA带来的新机会
欧洲核子研究中心研究人员正在寻求的一种有希望的方法与重力有关。尤其是由于引力的作用相对较弱，目前还没有特别深入地研究反物质在引力场中的行为方式，以及它的反应是否可能与物质有所不同。凭借由 ELENA 的低能反质子构建的近静止（中性）反氢原子，以及越来越好的测量方法，现在可以更详细地研究重力的影响。虽然研究人员高度肯定地假设反粒子不会在重力作用下向上飞行，但即使是最小的偏差也可能产生至关重要的差异！