科学家在陷阱中成功捕获一个反物质粒子
研究人员设计的正电子量子回旋加速器。
本报讯 物理学家现在将一个正电子——相当于一个电子的反物质——悬浮在半空中，并将其冷却至可能达到的最低能量状态。该实验装置将使研究人员能够以前所未有的精度研究正电子的磁性。物理学家希望借此发现物质与反物质之间的细微差异，从而为解开物理学最大的谜团提供线索。10月21日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。
没有人知道为什么世界主要由物质构成。当今关于粒子与力的最佳理论——标准模型认为，宇宙大爆炸期间应该产生了与物质等量的反物质。
物质与反物质的质量相同，但电荷等性质截然相反。当二者发生接触时，它们就会在一场能量爆发中湮灭。领衔这项研究的美国西北大学物理学家Gerald Gabrielse说，如果它们以等量产生，“所有物质和反物质都会湮灭，宇宙也将不复存在”。
Gabrielse表示，如果发现物质与反物质的测量结果不一致，“将是物理学上的革命”。尽管标准模型已被证实存在不完善之处，例如无法解释明显存在的暗物质，但在预测实验结果方面却准确到令人难以置信。
欧洲核子研究中心的Barbara Maria Latacz表示，该实验是一项“非凡的成就”，将为“超越标准模型的物理学提供强有力的探测手段”。“我迫不及待地想看到他们的首批精密测量结果。”德国杜塞尔多夫大学的Stefan Ulmer说。
自20世纪60年代以来，物理学家对反物质的研究日益深入，希望发现其与物质的差异。他们发现少数几种粒子的行为略微偏向于物质，但这远不足以解释世界的构成。
到目前为止，对质子和反质子进行的极其精细的比较尚未发现任何此类差异。因此，Gabrielse团队希望比较电子和正电子的一种性质——“磁矩”。这种特性的测量精度可提高1万倍，它决定了粒子在磁场中沿轴线的摆动方式。
研究团队首先面临一个重大挑战——捕获正电子。他们从放射性衰变中产生的高速正电子入手，通过使其与钨晶体中的原子发生散射而减速。尽管其中许多正电子湮灭了，但研究团队还是从“幸存者”中筛选出速度最慢的粒子，并将它们送入囚禁阱中。
在那里，电场和磁场的组合将一个正电子固定在原地。研究人员将囚禁阱维持在绝对零度以上0.3摄氏度且接近完美的真空状态，以清除空间中的游离气体分子，让粒子得以存活数月。
当正电子达到可能的最低能量状态时，研究人员就利用微波辐射促使它进行量子跃迁，即在磁场中螺旋运动状态的突然转变。Gabrielse说，团队已经开始进行下一阶段的工作，将测量促使正电子在这些状态之间切换的频率，从而确定该粒子的磁矩。
Gabrielse说，如果电子和正电子的磁矩并非完全相反，“我们就不得不重新审视支撑标准模型的许多最基本的概念”。（文乐乐）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1103/gbkc-6nlj