一个反物质粒子，被关在“看不见的墙”里，一关就是好几个月。在伊利诺伊州的一间实验室里，物理学家做到了这件事——捕获并驯服了一个微小的反物质粒子。通过研究这个正电子如何表现，研究人员可能很快有机会去挑战我们关于物理现实最好的数学模型。

打开网易新闻 查看精彩图片

正电子是电子的反物质对应物，两者质量相同，但电荷相反。和电子不同的是，正电子极其稀有，通常只存在一瞬间——只要它遇到宇宙中数量压倒性占优的电子，这对粒子就会湮灭。正因如此，正电子极难被研究。

伊利诺伊州西北大学的杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）和同事找到了办法：捕获一个正电子，并让它持续存在数月之久。他们计划分析正电子被囚禁期间收集的数据，精确测量这个反粒子的性质，进而探究粒子物理标准模型最大的问题之一。

从减速到囚禁，一步步“驯服”反物质

研究人员的正电子来自一种放射性钠同位素——它每次衰变都会放出一个正电子。这类正电子速度极快、难以控制，于是他们把钠放进特制冷藏装置，降低其温度和能量，让反粒子慢下来。

他们还让正电子穿过一块钨晶体，进一步减速。穿过晶体的过程中，一部分正电子湮灭了，另一部分则完好无损地穿了出来。随后，这些正电子被导入一个排空了其他所有粒子的冷藏腔室。在这里，电子元件产生电磁场，把单个进入的正电子约束住，这些电磁场就充当了囚禁粒子的“隐形墙”。

接着，研究人员把正电子推入尽可能低的能态。加布里埃尔斯说，正是这一步让他们能把这种原本难以捉摸的反粒子困住数月。他们还能用可控的微波脉冲，把它推到次低的能态。

“站在我的实验室里，看着一个正电子在最低能态之间跃迁——我们称之为‘量子跃迁’——真的很带劲。还能比这更基础、更精巧吗？”他说。

“囚禁反粒子极其困难”

日本科研机构理化学研究所（RIKEN）的斯特凡·乌尔默（Stefan Ulmer）说：“囚禁反粒子极其困难。”任何杂散粒子、一束光或微小振动都可能干扰它，而且囚禁装置必须维持在仅比可能达到的最低温度高十分之几度的水平。

尽管实验挑战重重，成功囚禁并控制正电子带来的回报可能相当可观。乌尔默说：“这有可能成为物理学中对一个基本常数最精确的测量之一。”

具体来说，加布里埃尔斯和同事想测量正电子的磁矩——这个数字量化了它对磁场的响应。研究人员此前曾对电子的磁矩做出过史上最精确的测量，把这个数值与反粒子的对应数值相比较，就能以前所未有的精度比较物质与反物质的性质。

标准模型预测两者的磁矩应当完全相同，但这一预测恰恰暴露了该理论的明显短板。问题在于：如果物质与反物质如此相似，那么它们在宇宙诞生之初就应当等量产生、完全湮灭，最终什么都不剩。“标准模型似乎与宇宙的一些基本特征不一致，或者至少严重不完整——比如，为什么我们会有一个宇宙。”加布里埃尔斯说。

如果能在电子与正电子之间发现差异，就可能暗示存在某种目前未知的机制，正是它造就了这个充满物质的宇宙。如果一切按计划进行，研究人员的目标是在一年之内拿出能阐明这一问题的数据。

相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），DOI: 10.1103/gbkc-6nlj。