物理学家现已将单个正电子——电子的反物质对应物，悬浮在半空中，并将其冷却至可能达到的最低能级。

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学性质。物理学家希望借此发现物质与反物质之间的细微差异，从而为揭开开物理学最大的未解之谜提供线索。10月21日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。

研究人员设计了正电子量子回旋加速器。图片来源：Gerald Gabrielse/美国西北大学

没有人知道为什么世界几乎完全由物质构成。当今粒子与力的最佳理论——标准模型认为，在大爆炸期间应该产生了等量的反物质。

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，它们会湮灭并转化为一股能量。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之间的测量结果存在不一致，“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，例如无法解释暗物质的明显存在，但它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反物质物理学家Barbara Maria Latacz表示，该实验是一项“非凡的成就”，将为“探索标准模型之外的物理学”提供“强有力的探测手段”。“我迫不及待想看到他们的首批精密测量结果。”德国杜塞尔多夫大学的物理学家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，希望发现其与物质之间的差异。他们在少数几种粒子的行为中观察到物质略占优势，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中可将测量精度提高1万倍的一种性质——它们的“磁矩”，后者决定了粒子在磁场中沿其轴线的摆动方式。

为了进行实验，研究团队首先面临一个重大挑战：捕获正电子。他们首先从放射性衰变中获得快速运动的正电子，然后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被湮灭，但研究团队还是从幸存者中筛选出速度最慢的，并将它们送入囚禁阱。

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摄氏度且接近完美真空的状态，以清除空间中的游离气体分子，让粒子得以存活数月。

当正电子达到其可能的最低能量状态时，研究人员利用微波辐射促使它进行“量子跃迁”，即在磁场中螺旋运动的态之间的突然跃迁。Gabrielse说，团队已经开始进行下一阶段的工作，即测量促使正电子在这些态之间切换的频率，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”。

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