科学家实现单个反物质粒子长期束缚

物理学家成功将单个反物质粒子囚禁长达一个月

科学家首次对正电子粒子进行量子测量。

电容器Shutterstock

你无法用手直接接触反物质，甚至无法将其存放在常规的实验室设备中。一旦反物质与普通物质相遇，两者往往立即发生湮灭。这使得反物质的研究极具挑战性。然而，物理学家目前已能将单个反物质亚原子粒子长时间束缚在特定装置中，持续数月之久，从而得以对其量子态展开深入研究。

进一步使用该装置进行的调查可能会揭示这样一个秘密：为什么我们周围的世界是由物质构成的，而不是反物质，尽管事情本可以朝任何方向发展。

每颗普通物质粒子都对应着一对反物质粒子，二者质量相等但电荷相反。为了构建反物质粒子陷阱，研究人员以钠22同位素原子为起点，该同位素具有约半年的半衰期。当其中一种原子发生衰变时，会发射正电子——正电子是电子的反物质对应物。

最大的挑战是说服这些正电子减速并捕获它们，西北大学物理学家杰拉德加布列尔表示，该项目由他主导。团队于周三在《物理评论快报》上公布了这一成果。

GeraldGabrielse（右上角）和他的团队在实验室中，他们将正电子粒子囚禁了一个月。GeraldGabrielse。

首先是向冷钨薄片晶体中的正电子发射。当正电子在晶格中做碰碰运动，会因与材料碰撞而减速并损失能量。所谓每次碰撞有发生湮灭的可能，但并非必然发生，若最终抵达末端，便会被弹出。

接下来，物理学家利用电磁场引导正电子沿通道运动。最终，这些粒子进入真空环境，温度仅比绝对零度高0.3摄氏度，上下由电场约束，两侧由磁场约束。若想束缚住反物质，就必须将其置于一种没有实体壁的容器中。加布里埃尔塞说道。

研究人员能够分离并研究一个独立、孤立的正电子，持续时间长达一个月，且可无限期进行。

研究人员计划利用该阱对正电子的磁矩——即其磁场的强度与方向——进行精确测量。为此，他们必须测定两个量：一是使正电子自旋方向发生翻转所需的能量，二是使其从基态跃迁至第一激发态所需的能量。

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利用类似的陷阱装置，加布里埃尔塞及其团队已将电子磁矩的测量精度提升至一万亿分之一。对正电子进行同等精度的测量，将使他们能够开展一项关键的比对研究。我们旨在验证二者磁矩是否严格互为相反数，加布里埃尔塞表示，这正是粒子物理标准模型所预言的结果。倘若二者磁矩存在差异，则可能为宇宙中物质远多于反物质这一现象提供重要线索。

大爆炸刚结束后，科学家认为两种物质最初数量大致相等。大部分物质和反物质必然发生了湮灭，但某种方式下留下了一小部分物质过剩，从而形成了今天我们看到的恒星和行星。磁矩测量只是物理学家在众多领域中寻找物质与反物质差异的一个方面，以解释这种深刻的不对称性。

将每个粒子转变为对应的反粒子，通过镜子观察物理现象（即左右翻转），并按下‘倒带按钮’以逆转时间的流向。费米国家加速器实验室（位于伊利诺伊州巴达维亚）的理论物理学家罗尼哈尼克（RoniHarnik）表示，他本人未参与该项目。我们最基本的基础理论指出，物理规律在此过程中保持不变。

如果事实证明情况并非如此——比如正电子的磁矩与电子不同——那么这将为我们提供一个线索，帮助我们理解物质是如何占据主导地位的。

这是一个令人兴奋的进展，哈尼克说，这将使我们能够检验一项基本对称性。