馬余剛 張正橋

在我們所處的世界，正反物質(zhì)的不對稱性是物理學(xué)領(lǐng)域的未解之謎。反物質(zhì)研究是國際上高能物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)，有關(guān)反物質(zhì)研究的進(jìn)展對我們認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)有著重要的啟示。

正反物質(zhì)相互觸碰會發(fā)生湮沒，能將質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化為能量。目前人類觀測到的宇宙主要由正物質(zhì)組成，反物質(zhì)非常稀少。根據(jù)宇宙大爆炸理論，在宇宙早期產(chǎn)生了數(shù)量相當(dāng)?shù)恼Ｗ优c反粒子。而組成目前物質(zhì)世界的則主要是正粒子，這種正反物質(zhì)的不對稱性是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)至今未解的謎題。

1956年，李政道和楊振寧為解釋當(dāng)年困惑物理學(xué)界的著名的θ-τ之謎，發(fā)表了著名的《對弱相互作用中宇稱守恒的質(zhì)疑》文章，他們的理論被吳健雄的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，實(shí)驗(yàn)表明在微觀物質(zhì)世界中，左右鏡像（宇稱即P）對稱性在弱相互作用時會遭到破壞，這一發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家意識到一些基本規(guī)律在一定條件下可能會出現(xiàn)破缺。1964年，克羅寧（J.W.Cronin）和菲奇（V.L.Fitch）在研究K介子衰變的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了CP（正反粒子和左右鏡像反演的聯(lián)合對稱性，C為電荷）對稱的破壞，這項發(fā)現(xiàn)再次震驚了物理學(xué)界。它不僅意味著時間反演T在微觀世界中也可能是不對稱的，而且對回答宇宙中反物質(zhì)去哪了的難題提供了線索。

雖然CP對稱有可能破壞，然而在量子場論中，物理量在電荷C、宇稱P、時間T一起反向變換后是不變的，這就是著名的CPT對稱理論，它是由洛倫茲不變推導(dǎo)而來的，目前為止所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均支持CPT對稱理論。研究反物質(zhì)是驗(yàn)證CPT對稱或者尋找CPr破缺現(xiàn)象的一個重要方向，同時能夠?yàn)橛钪嬷姓次镔|(zhì)反對稱性提供重要線索。因此，尋找反物質(zhì)并研究反物質(zhì)的性質(zhì)是科學(xué)家關(guān)心的重大問題。

在探索反物質(zhì)過程中，大型科學(xué)裝置有發(fā)射到太空中研究宇宙射線的衛(wèi)星，有埋入極深地下的探測器，也有先進(jìn)的大型加速器。在過去幾十年中，反物質(zhì)的研究取得了巨大的成就，其中包括：美國布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室相對論重離子對撞機(jī)螺旋管徑跡探測器（RHIC-STAR）合作組觀測到反超氚核和反氦4核，歐洲核子研究中心（CERN）在實(shí)驗(yàn)室捕捉到反氫原子并研究其性質(zhì)，國際空間站上的阿爾法磁譜儀二期（AMS-02）新數(shù)據(jù)證實(shí)了正電子通量“反?！痹黾拥痊F(xiàn)象。近來，位于CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)重離子碰撞（LHC-ALICE）實(shí)驗(yàn)展示了對反粒子輕核的精確測量，RHIC-STAR實(shí)驗(yàn)首次測量了反質(zhì)子一反質(zhì)子的相互作用。

反物質(zhì)研究的歷史回顧

反物質(zhì)概念的提出最早可追溯到1898年舒斯特（A.Schuster）投給英國《自然》周刊的一篇文章（Potential Matter-A Holiday Dream），作者在文章中大膽提出了反物質(zhì)存在的可能性。隨著量子力學(xué)的迅猛發(fā)展.1928年英國物理學(xué)家狄拉克在解釋狄拉克方程負(fù)能解的問題時，正式引出正電子概念，預(yù)言了正負(fù)電子對的湮沒和產(chǎn)生。1930年，中國科學(xué)家趙忠堯在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)重核對于硬光子的吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于克萊因一仁科公式（Klein-Nishima formula），后來發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)榉磻?yīng)中產(chǎn)生了正負(fù)電子對，這是正電子觀測的第一個間接信號。1932年，美國物理學(xué)家安德森（C.D.Anderson）在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，這是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個反粒子，打開了反物質(zhì)研究的大門。1959年，塞格雷（E.G.Segre）和張伯倫（O.Chamberlain）等在美國伯克利的回旋加速器上發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子。1965年，由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室的交變梯度質(zhì)子同步加速器（BNL-AGS）上成功觀測到反氘核。

1971年。蘇聯(lián)科學(xué)家觀測到了反氦3，他們同時研究了反質(zhì)子、反氘、反氦3的產(chǎn)生截面與質(zhì)量數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)原子核的產(chǎn)生截面隨著質(zhì)量數(shù)的增加會相應(yīng)地減少若干個數(shù)量級（產(chǎn)生截面同時與體系的溫度有關(guān)）。因此，同樣實(shí)驗(yàn)條件下，要觀測到下一個更重的反物質(zhì)核，統(tǒng)計量需要增加上萬倍。這也是為什么直到2011年反氦4才在位于布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室的RHIC-STAR實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。在反氦4發(fā)現(xiàn)之前，同樣南RHIC-STAR實(shí)驗(yàn)組在2010年發(fā)現(xiàn)了由反質(zhì)子、反中子和反A組成的反物質(zhì)超氚核，這也是人類所觀測到的首個反物質(zhì)超核。反超氚核包含了第二代夸克成員：反奇異夸克，它是人類發(fā)現(xiàn)的首個包含奇異夸克的反物質(zhì)核。在上述反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的歷程中，1936年與1959年的諾貝爾物理學(xué)獎分別授予了正電子和反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)者。

由于自然條件下反物質(zhì)產(chǎn)額極為稀少，迄今對反物質(zhì)性質(zhì)的研究還比較少，2015年RHIC-STAR合作組首次報道了反質(zhì)子一反質(zhì)子間相互作用的測量結(jié)果，此項研究標(biāo)志著人們對反物質(zhì)研究進(jìn)入了新的篇章。

相對論重離子對撞機(jī)上的反物質(zhì)研究進(jìn)展

相對論重離子對撞機(jī)（Relativistic Heavy Ion Collider，RHIC）位于紐約長島布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室。RHIC是當(dāng)前國際上核物理研究的大科學(xué)裝置，其利用兩束接近于光速的金原子核的對撞來模擬宇宙大爆炸，對撞能量可以高達(dá)200吉電子伏，產(chǎn)生了類似于宇宙大爆炸之后初期的物質(zhì)形態(tài)。這種物質(zhì)是由基本粒子，即夸克、膠子組成的等離子體新物質(zhì)形態(tài)，又稱為QGP（quark-gluon plasma），它具有極高溫，約是太陽中心溫度的25萬倍。這種新物質(zhì)形態(tài)冷卻后，會產(chǎn)生豐富的粒子與反粒子，提供了反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)和研究極佳的場所。

RHIC裝置剛開始運(yùn)行時有四個大型探測器，分別是BRAHMS，PHENIX，PHOBOS和STAR探測器。這四個探測器在設(shè)計上各有特點(diǎn)，一方面是基于物理上的相互補(bǔ)充，同時也能相互檢驗(yàn)探測到的物理結(jié)果。其中STAR（Solenoidal Tracker at RHIC）探測器位于RHIC環(huán)形對撞機(jī)的6點(diǎn)鐘位置。STAR是具有覆蓋中心快度區(qū)，全方位角接收度，由不同探測子系統(tǒng)構(gòu)成的一個大型復(fù)合探測器，它具有優(yōu)異的多徑跡事件重建能力，能夠很好地鑒別各種正、反粒子。STAR探測器主要部件包括時間投影室（TPC）、重味徑跡探測器、飛行時間譜儀（TOF）、電磁量能器等。來自十幾個國家近五十家單位的六百多名科學(xué)家與研究生，圍繞STAR探測器和相關(guān)的物理分析構(gòu)成了一個大型STAR國際合作組。中國合作單位包括中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所（以下簡稱上海應(yīng)物所）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所和山東大學(xué)等。其中上海應(yīng)物所主要關(guān)注尋找反物質(zhì)原子核以及研究其相關(guān)性質(zhì)，有關(guān)研究人員在反物質(zhì)的系列研究成果中均起到了核心領(lǐng)導(dǎo)作用。

反超核的發(fā)現(xiàn)

在粒子物理學(xué)中，超子是指至少含有一個奇異夸克的重子，它由強(qiáng)相互作用產(chǎn)生，卻通過弱相互作用衰變。在宇宙演化、中子星內(nèi)核構(gòu)成中，超子起到了關(guān)鍵性的作用，含有超子的原子核即為超核。目前，A超核和∑超核是人們發(fā)現(xiàn)的兩類超核。最輕的超核南1個質(zhì)子、1個中子和1個人超子組成，稱為超氚核。人們通過測量超子一核子間相互作用，可以得到研究中子星內(nèi)部奇異物質(zhì)狀態(tài)方程的初始參數(shù)。從近期幾個實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)超氚核的壽命甚至低于自由A粒子壽命，低于200皮秒。由于其短壽命，目前實(shí)驗(yàn)上只能通過其末態(tài)衰變粒子重構(gòu)來找到超核信號。2010年.RHIC-STAR實(shí)驗(yàn)組研究人員分析了上億次金核一金核碰撞事例，通過重構(gòu)反氦3和盯介子衰變道，發(fā)現(xiàn)了第一個反超核信號：反超氚核。

在發(fā)現(xiàn)反超氚核的工作中，上海應(yīng)物所的STAR實(shí)驗(yàn)小組分析了海量的事例樣本，從STAR探測器中探測到總共約2168個反氦3信號和5810個氦3信號。STAR探測器可以非常有效地鑒別反氦3和低動量區(qū)間的π介子。將同個碰撞事件中這些反氦3和帶正電的π介子的能動量信息進(jìn)行組合，最后得到它們的不變質(zhì)量分布，然后通過STAR探測器精確地鑒別出反超核衰變的次級頂點(diǎn)，去除大部分組合背景。其次，分析組人員通過準(zhǔn)確的探測器接收度模擬，可以得到衰變徑跡間最佳幾何篩選條件。其中：在衰變點(diǎn)位置反氦3和π徑跡間的距離要小于l厘米：反超氚核徑跡和碰撞頂點(diǎn)的距離小于1厘米，其衰變長度需大于2.4厘米：π介子徑跡和碰撞頂點(diǎn)的距離大于0.8厘米等。通過這些篩選條件之后，得到了在不變質(zhì)量為2.991吉電子伏的信號區(qū)間有明顯的峰。另外，通過運(yùn)用旋轉(zhuǎn)背景分析方法，可以消除殘留的背景噪聲。然后在不變質(zhì)量分布中的2.991吉電子伏的信號區(qū)間的計數(shù)中，減去擬合后得到的組合背景噪聲，最后得到反超氚核的信號，總共約為70個。作為比較，STAR實(shí)驗(yàn)組同時測量到了超氚核信號，進(jìn)一步驗(yàn)證了反超氚核的存在。相同的分析方法得到的超氚核信號約為157個。在STAR發(fā)現(xiàn)反超氚核之后，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了反超氚核。

反氦4的發(fā)現(xiàn)

反超氚核的發(fā)現(xiàn)表明RHIC是非常適合研究反物質(zhì)的場所，在2009年RHIC對撞機(jī)升級后，其亮度提高了約10倍，采集的碰撞事例數(shù)大大增加了。2011年，研究人員通過分析STAR主探測器中的時間投影室，以及中國STAR合作組研制的桶形飛行時間探測器采集到的接近十億次金核一金核對撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從約5000億個帶電粒子里找到18個反氦4信號。反氦4核是由兩個反質(zhì)子和兩個反中子組成的穩(wěn)定束縛態(tài)，帶有兩個單位的負(fù)電荷，質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的4倍，是目前人類發(fā)現(xiàn)的最重的反物質(zhì)核。STAR的主探測器時間投影室（TPC）能夠完美地捕捉到帶電粒子的飛行徑跡，通過分析粒子在投影室中每單位路徑的電離能量損失，可對粒子進(jìn)行初步鑒別。飛行時間譜儀（TOF）則能夠精確測量粒子的質(zhì)量。TOF探測系統(tǒng)主要由中美STAR合作組合作完成，探測器硬件和相應(yīng)的物理部分得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、中國科學(xué)院的聯(lián)合資助，硬件部分由STAR中國組研制完成。美國能源部資助TOF探測器的電子學(xué)和集成。TOF于2009后安裝在STAR探測器上，覆蓋在TPC外面。TOF由4032塊多氣隙電阻板室（MRPC）構(gòu)成的120條TOF樣條（tray）組成，它具有卓越的時間分辨能力，從而具有很高的粒子質(zhì)量分辨能力，因此在反氦4的鑒別過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。另一方面，STAR合作組發(fā)展的“高階觸發(fā)”（HLT）技術(shù)對反氦4的發(fā)現(xiàn)也起到了關(guān)鍵性作用。STAR HLT是一個主要基于軟件技術(shù)的觸發(fā)系統(tǒng)，能夠?qū)ε鲎伯a(chǎn)生的粒子進(jìn)行在線鑒別，從而對碰撞事例進(jìn)行在線挑選。在這個發(fā)現(xiàn)中，STAR-上海應(yīng)物所研究組直接承擔(dān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為反氦4的發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻(xiàn)。反氦4的發(fā)現(xiàn)使人類在反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域又邁進(jìn)了一步。

更重的穩(wěn)定反物質(zhì)原子核在對撞中的產(chǎn)生率是反氦4的百萬分之一，因此未來更重的反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)或許需要等待很長的時間。由丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的AMS-02已于2011年5月發(fā)射升空并已安裝在國際空間站上，其中一個實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍ふ矣钪娴姆次镔|(zhì)，而STAR的這次測量結(jié)果將為AMS-02提供一個定量的背景估計值。

從定性到定量研究：反物質(zhì)相互作用的首次測量

目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)探測到了多種粒子對應(yīng)的反粒子，即做了許多定性的觀測。然而對反物質(zhì)的定量研究卻很少。事實(shí)上，在此之前一直未有實(shí)驗(yàn)涉及反物質(zhì)間相互作用力的測量。RHIC上產(chǎn)生的夸克一膠子等離子體迅速冷卻后能產(chǎn)生約等量的質(zhì)子與反質(zhì)子，在近5億次的金核一金核對撞中產(chǎn)生了約50億個反質(zhì)子，這為研究反質(zhì)子間的相互作用提供了極佳機(jī)會。同時利用STAR探測器中的時間投影室和時間飛行譜儀，可以使探測到的反質(zhì)子純度達(dá)到99%以上。以上海應(yīng)物所研究人員為主的團(tuán)隊利用金核一金核碰撞中產(chǎn)生的豐富的反質(zhì)子，測量了反質(zhì)子一反質(zhì)子動量關(guān)聯(lián)函數(shù)，并首次定量地提取反質(zhì)子一反質(zhì)子相互作用參數(shù)。

1956年，在一個開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)中，漢伯里一布朗（R.Hanbury-Brown）和特威斯（R.Q.Twiss）利用兩個光子之間關(guān)聯(lián)測量了星體的角徑，在一個光子被一個探測器探測到的同時，第二個光子被另外一個探測器探測到的概率表現(xiàn)出對被探測體的橫向距離的一種關(guān)聯(lián)。

后來在很多高能核碰撞實(shí)驗(yàn)中，人們測量了在能量動量空間中兩個全同粒子的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，這種從一個擴(kuò)展源發(fā)出的全同粒子的時空或者說動量的關(guān)聯(lián)被稱作HBT效應(yīng)，此效應(yīng)是研究反質(zhì)子間相互作用的基礎(chǔ)。如果反質(zhì)子一反質(zhì)子間不存在任何相互作用和量子力學(xué)效應(yīng)，那么得到的關(guān)聯(lián)函數(shù)就會是恒等于1的一條直線。如果相互作用是相互吸引的，那么關(guān)聯(lián)函數(shù)就會大于1，反之則小于1?？紤]到部分反質(zhì)子是由反A超子衰變而來，這部分反質(zhì)子無法從探測到的反質(zhì)子樣本中直接區(qū)分出來，因此在得到的關(guān)聯(lián)函數(shù)的基礎(chǔ)上需要扣除來自反A-反質(zhì)子，反A-反A關(guān)聯(lián)的影響，精確地構(gòu)建反質(zhì)子一反質(zhì)子關(guān)聯(lián)函數(shù)。通過分析碰撞中心度為30%-80%的金核一金核碰撞數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得到了質(zhì)子一質(zhì)子和反質(zhì)子一反質(zhì)子的關(guān)聯(lián)函數(shù)。兩者結(jié)構(gòu)非常相似，在相對動量非常小時，關(guān)聯(lián)函數(shù)小于1。這主要是由于質(zhì)子對或者反質(zhì)子對之間的庫倫相互作用引起的。同時它們的關(guān)聯(lián)函數(shù)在相對動量的一半處（k*≈0.02吉電子伏）都有一個峰，這是由質(zhì)子間（反質(zhì)子間）相互吸引的S波相互作用引起的。質(zhì)子間關(guān)聯(lián)函數(shù)與反質(zhì)子間關(guān)聯(lián)函數(shù)的比值很好地位于1周圍，表明反質(zhì)子一反質(zhì)子相互作用與質(zhì)子一質(zhì)子相互作用是對稱的。

同時，上海應(yīng)物所合作組結(jié)合量子多粒子關(guān)聯(lián)理論，首次測得反質(zhì)子一反質(zhì)子的相互作用的散射長度（f₀）和有效力程（d₀）這兩個描述強(qiáng)相互作用的基本作用參數(shù)。其中

f₀=[7.41+0.19（stat.）+0.36（sys.）]飛米，

d₀=[2.14+0.27（stat.）+1.34（sys.）]飛米。f₀是低能情況下S波散射振幅，直接與散射截面的大小相關(guān)。另外，散射長度的符號直接決定了兩核子系統(tǒng)是否存在束縛態(tài)，若f₀>0則可以存在束縛態(tài)，f₀<0則不存在束縛態(tài)。有效力程d₀則描述了強(qiáng)相互作用的有效范圍。若對于一個簡單的方勢阱來說，勢阱的寬度對應(yīng)相互作用的有效力程。

此次測量的結(jié)果很好地解釋了反核子為何能結(jié)合成更為復(fù)雜的反物質(zhì)原子核。研究最簡單的反質(zhì)子之間的相互作用力可以為以后研究更為復(fù)雜的反物質(zhì)原子核間的相互作用提供基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)精度內(nèi)，反質(zhì)子一反質(zhì)子的散射長度和有效力程與質(zhì)子一質(zhì)子的是相等的，也就是說反物質(zhì)間的相互作用與正物質(zhì)并沒有差別。根據(jù)CPT對稱理論，物質(zhì)和反物質(zhì)除電荷外其他所有性質(zhì)應(yīng)該是一樣的，這項研究從物質(zhì)相互作用的角度驗(yàn)證了CPT對稱理論，成為檢測正反物質(zhì)對稱性的又一種新的方式。在首次測量反物質(zhì)相互作用的研究中，STAR-上海應(yīng)物所小組在從研究思路的提出到歷時三年的艱難數(shù)據(jù)分析過程中，均起到了決定性的作用。相關(guān)論文發(fā)表在英國《自然》周刊上。

其他CPT對稱性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

以往的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在很高精度上測量質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量差別，測量更重的輕核與其對應(yīng)的反物質(zhì)質(zhì)量，對于理解強(qiáng)相互作用和CPT對稱性有很大意義。2015年，LHC-ALICE合作組首次精確測量了氘核與反氘核以及氦3與反氦3質(zhì)量的差別。實(shí)驗(yàn)采用鉛核一鉛核對撞，對撞能量高達(dá)2.76太電子伏。實(shí)驗(yàn)表明，氘核與反氘核在l0^-4精度內(nèi)，氦3與反氦3在10^-3精度內(nèi)，質(zhì)量是沒有差別的。此次實(shí)驗(yàn)從質(zhì)量角度驗(yàn)證了CPT對稱性。

除了反物質(zhì)原子核的尋找與研究外，科學(xué)家也嘗試了合成反物質(zhì)原子的系列研究。2010年，歐洲核子研究中心的研究人員在實(shí)驗(yàn)室成功捕捉了反氫原子，并維持其狀態(tài)達(dá)172毫秒，一年之后，他們把維持狀態(tài)時間提高到了1000秒。科學(xué)家們想通過研究反氫原子能譜來檢驗(yàn)CPT對稱原理。通過對比正反氫原子的量子屬性和精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及原子能譜的測量結(jié)果，若能發(fā)現(xiàn)任何差別，都將預(yù)示著全新的物理。目前實(shí)驗(yàn)主要測量了反氫原子的電荷和質(zhì)量等參數(shù)。同時，關(guān)于反氫原子引力的精確測量也是檢驗(yàn)基本物理學(xué)規(guī)律的重要實(shí)驗(yàn)。

高空宇宙射線反物質(zhì)研究

除了實(shí)驗(yàn)室研究外，對高空宇宙射線的測量是科學(xué)家尋找反物質(zhì)的另一個途徑。AMS-02在2011年升空后，于2013年發(fā)布了其高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正電子通量在10吉電子伏之后出現(xiàn)反常增加，這引起了科學(xué)家極大的興趣。宇宙大爆炸初期生成的正反物質(zhì)，可能會瞬間湮沒并產(chǎn)生大量光子，進(jìn)而可能產(chǎn)生高能正負(fù)電子對。而現(xiàn)在宇宙射線中觀測到的高動量正電子通量的反常增加是否會是宇宙中的暗物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的呢？人們期待AMS-02后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能給出答案。除此之外，中國剛剛發(fā)射成功的太空暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”，也能得到大量的高能正電子，甚至反物質(zhì)、暗物質(zhì)的信息。

從最初預(yù)言反物質(zhì)存在，到反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，以及現(xiàn)在對反物質(zhì)性質(zhì)的研究，加深了人類對物質(zhì)世界的理解?，F(xiàn)在一個重要的實(shí)驗(yàn)方向是觀測反物質(zhì)的各項性質(zhì)，從而尋找物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱性的蛛絲馬跡和物理起源。從反物質(zhì)角度研究CPT對稱性也是以后探索的一個重要的方向，將為人類認(rèn)識宇宙的物質(zhì)構(gòu)成提供重要的線索。未來任何正物質(zhì)和反物質(zhì)差別的發(fā)現(xiàn)都將預(yù)示著物理學(xué)新的突破。由于正反物質(zhì)會發(fā)生湮沒，將質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化為能量，也許未來反物質(zhì)可以用來作為星際旅行的動力，甚至可以用來做成反物質(zhì)物質(zhì).500克反物質(zhì)的威力將超過氫彈。當(dāng)然，目前人類只能在大型實(shí)驗(yàn)裝置中產(chǎn)生少量的反物質(zhì)，未來的反物質(zhì)應(yīng)用之路還很漫長。