在美国伊利诺伊州的一个实验室里，物理学家在一个具有隐形壁的陷阱中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的行为方式，研究人员可能很快就有一个机会来打破关于物理现实的最佳数学模型。

正电子是电子的反物质对应物，这意味着这两种粒子质量相同但电荷相反。然而，与电子不同，正电子很稀有，通常只存在极短的一瞬间，因为一旦它遇到我们宇宙中极其丰富的电子之一，这对粒子就会湮灭。这使得正电子难以研究。

美国西北大学的Gerald Gabrielse及其同事如今找到了一种方法来捕获一个正电子，并使其连续存在数月之久。通过分析正电子被捕获期间收集的数据，他们计划精确测量这种反粒子的特性，进而研究粒子物理学标准模型最大的问题之一。10月21日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。

用于捕获单个正电子的一些设备。图源：西北大学

研究人员从一种钠的放射性同位素中获得了这个正电子，该同位素每次衰变时都会发射一个正电子。这样的正电子速度非常快且难以控制，因此他们把钠放入一个特殊的制冷机中以降低其温度和能量，并使反粒子减速。

他们让正电子穿过一块钨晶体，使其进一步减速。虽然一些正电子在穿过晶体时湮灭了，但有一些完好无损地穿了过来。随后它们被导入一个排空了所有其他粒子的冷藏腔室。在这里，电子元件产生电磁场，将一个入射的正电子约束住，充当捕获该粒子的隐形壁。

研究人员随后将正电子推入其尽可能最低的能量状态，Gabrielse说，这使他们能够将这个原本难以捉摸的反粒子捕获数月之久。他们还可以用受控的微波脉冲将其推入次低的能量状态。

“站在我的实验室里，看着一个正电子在其最低能量状态之间发生跃迁，我们称之为‘量子跃迁’，真是令人兴奋。还能比这更基本、更精巧吗？”他说。

Gabrielse及其同事想要测量正电子的磁矩，这是一个量化其对磁场响应的数值。研究人员此前曾对电子的磁矩做出过有史以来最精确的测量，将这个数值与反粒子的相应数值进行比较，将使他们能够以前所未有的精度比较物质与反物质的特性。

标准模型预测它们应当具有相同的磁矩，但这一预测凸显了该理论的一个显著缺陷。问题在于，如果物质和反物质如此相似，那么它们在宇宙诞生之初就应当以相等的数量被创造出来并完全湮灭，什么都不留下。

揭示电子与正电子之间的差异，可能暗示某种目前未知的机制，正是它造就了我们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年内获得能够阐明这一点的数据。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/gbkc-6nlj