物理学突破：首次捕获反物质制成的量子位

欧洲核子研究中心（CERN）的科学家首次分析了一个被隔离在被称为量子叠加态的“未定状态”中的反物质粒子。

虽然普通物质的量子行为已被广泛研究，甚至以量子位（qubit）的形式用作量子计算机的基础，但此次突破远超技术应用范畴，可能有助于物理学家理解为何我们今天能够存在。

研究团队将一个反质子（质子的反物质对应物）悬浮在电磁阱系统中，并抑制了环境干扰，以免破坏粒子脆弱的量子态。

当该粒子处于被称为“自旋”属性的未定模糊状态时，研究人员小心地使其振荡，并在长达50秒的时间内进行了测量。

“这代表了第一个反物质量子位，”CERN的BASE合作项目物理学家斯特凡·乌尔默（Stefan Ulmer）说，“最重要的是，它将帮助BASE在未来的实验中以10到100倍的精度提升进行反质子磁矩测量。”

这些未来的实验可能有助于揭示物质与反物质之间更多的差异，进而回答一个根本性问题：我们是如何在数十亿年前本应湮灭所有物质的反物质大灾难中幸存下来的？

简单来说，理论上物质和反物质之间应该没有区别，除了粒子的电荷与其对应粒子相反。然而，如果真是这样，宇宙大爆炸应该创造了等量的物质和反物质，它们本应迅速相互湮灭，使宇宙如今变得空空如也。

我们能够在这里思考这个事实表明，物理学必定在某个其他方面也对物质和反物质区别对待。各种实验已经开始揭示这种不对称性的线索，但迄今为止发现的差异程度仍无法解释这种不平衡现象。

CERN的BASE实验旨在通过比较质子和反质子在相似条件下其自旋状态的行为，来寻找它们之间的这种不平衡。自旋是亚原子粒子的内在属性，使其表现得像微小的磁铁。

BASE之前的实验已将反质子的磁矩测量精度提升至十亿分之1.5。但令人沮丧的是，即使在这个精度水平上，它仍然与普通质子的磁矩一致。

部分问题在于量子态对其周围环境的干扰非常敏感，因此很难将反质子保持在叠加态足够长的时间来深入研究其特性。

BASE现已进行了一系列升级以抑制背景噪声，隔离粒子，并使粒子能够在量子模糊状态下振荡长达创纪录的50秒。

而且这一时间可能很快会进一步延长。通常，反物质无法远离其产生地点进行移动 —— 毕竟，一旦接触由普通物质制成的容器，它就会立即湮灭消失。

CERN一直在测试一种名为BASE-STEP的新型反物质运输系统。该系统最终可能允许将这种奇特物质运送到能够抑制甚至消除背景噪声的专门设施中。

正是在这些超安静的环境中，我们或许最终能倾听到物理学最深奥问题之一的细微答案。

“一旦我们的新型离线精密彭宁阱系统完全投入运行，并由BASE-STEP输送反质子，我们可能获得比当前实验长十倍甚至更多的自旋相干时间，这将对重子反物质研究产生革命性影响，”CERN物理学家芭芭拉·拉塔茨（Barbara Latacz）说。

该研究已发表于《自然》期刊。

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