这一成就标志着首次创造出“单正电子量子回旋加速器”。
如果大爆炸产生了等量的物质和反物质，那么宇宙中存在的一切本应在数十亿年前相互抵消。然而，我们的世界依然存在。
如今，西北大学的物理学家可能已经找到了原因。
由杰拉尔德·加布里埃尔斯教授和博士生托马斯·迈尔斯领导的研究团队，捕获、冷却并将一个正电子（电子的反物质对应粒子）囚禁在“精确控制的量子态”中。
有趣的是，这是首次创造出“单正电子量子回旋加速器”。
正电子的量子控制
普通物质由电子、质子和中子组成，而反物质宇宙则由正电子、反质子和反中子组成。然而，反物质极难研究。反物质粒子一旦接触普通物质，两者就会在一道能量闪光中湮灭。
正电子不能储存在容器中，因为与普通物质接触会瞬间将其摧毁。因此，研究这些粒子需要谨慎处理，不过所用反物质数量极小，并无实际爆炸风险。
“如果我们想研究反物质，就必须小心处理它，”加布里埃尔斯说。“需要明确的是，这并不危险。我们没有足够的反物质来制造爆炸。”
在这项工作中，物理学家从放射性衰变中捕获了一个正电子，将其冷却到接近绝对零度，并利用磁场和电场把它囚禁在真空中。这种状态创造了一个单正电子量子回旋加速器，使该粒子能够像“人造原子”一样，其能级可以被精确操控，而不会接触普通物质并发生湮灭。
在这项工作中，研究人员捕获了钠-22放射性衰变过程中释放出的一个高能正电子，将其减速，并导入一个定制设计的电磁陷阱。
进入陷阱后，内部被冷却到寒冷的300毫开尔文（仅比绝对零度高0.3度）。
在近乎完美的真空中，正电子被无形力场悬浮起来，从未接触任何壁面。摆脱外部噪声后，它稳定到最低能态，本质上表现得像一个科学家可以在数月内持续操控的人造原子。
“我们把它冷却到如此低的温度，以至于它处于量子基态，”加布里埃尔斯说。“我们实际上诱导了这个速度极快的正电子停留在那里，并在数月内保持稳定行为。”
寻找模型中的裂缝
标准模型描述了基本粒子以及宇宙四种力中的三种，但物理学家知道它并不完整，因为它无法解释为什么物质会多于反物质。
西北大学的研究人员证明，他们可以利用精确调谐的微波脉冲，触发并观察被囚禁正电子中的单个量子跃迁。这种控制水平有助于以极高精度测量正电子的磁矩，重现此前一项将电子磁矩测量到十万亿分之一精度的实验。
将这两项测量结果直接对比，将有助于物理学家寻找物质与反物质之间的微观差异。
“当前理论认为，这两项测量不会有差异，”加布里埃尔斯说。“如果结果表明它们并不相等，那将是过去一个世纪物理学界最大的发现。”
如果两项测量之间出现差异，就可能打破标准模型，并最终为物质为何在宇宙拔河中胜出、从而使我们的宇宙得以存在提供线索。
研究结果于10月21日发表在《物理评论快报》上。
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