一个正电子被关了几个月，物理学家想用它称量反物质

先讲一个听起来像科幻设定的常识：按理论推算，宇宙本不该存在。

每一种粒子都有一个反物质"镜像"。两者一碰面，就会互相抵消，化成一缕能量。照这个逻辑，宇宙诞生时正物质和反物质应该等量产出，然后彼此湮灭，什么都不剩。可我们明明在这里，星系、恒星、你和我都在。为什么宇宙如此偏向正物质，至今是个悬而未决的谜。

谜底难找，很大程度上是因为反物质太"短命"——它总在忙着和正物质同归于尽。不过，物理学家最近把反物质家族里最难缠的角色之一给驯服了：正电子，也就是电子的反物质对应物。

在美国西北大学，研究人员在一个低温超导真空陷阱里，成功把单个正电子留住了好几个月。他们说，这为迄今最严格的粒子物理检验铺了路。

要理解这件事有多难，得先搞清楚正电子是个什么样的"刺头"。

宇宙制造正电子的方式不少：宇宙爆炸、粒子间的高能相互作用，以及放射性衰变——不稳定的原子核吐出一个带正电、其余性质与电子相同的粒子。但宇宙对正电子并不友好。它想消失，只需要遇到一个电子，而电子无处不在。

物理学家从20世纪30年代起就能观察到正电子，但想长时间研究一个正电子，就得把它彻底隔离，不让它碰到任何其他物质。电磁陷阱可以做到这一点：让单个粒子悬停在真空中，避免它意外接触别的粒子。真正的麻烦在于，如何让一个从放射性衰变这种高能过程中飞出的粒子停下来。

论文资深作者、西北大学物理学家杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）说，最大的挑战是说服一个从原子核中高速射出的正电子慢下来，慢到能被捕获进陷阱。他还提到，从源中出来的大多数正电子都没能被成功减速和捕获，最终在装置里与电子"湮灭"了。

团队的办法有点反直觉：想让正电子慢下来，恰恰要让它穿过物质。具体说，是一块钨单晶。

整个装置有三个主要部件：钠源、晶体和陷阱。钠的放射性同位素充当正电子工厂，射出的反粒子能量最高约546千电子伏，约为光速的88%。一部分正电子飞进钨晶体，其正电荷与材料中带负电的电子相互作用，把部分动能交给晶体。大多数正电子没能挺过来，撞上电子双双湮灭；但极少数幸存者从钨表面出来时已大幅减速，并且与一个电子"绑"在一起——注意，是绑在一起，不是碰到一起。这个组合叫电子偶素（positronium）。

在这种特定形态的电子偶素里，电子和正电子处于高度激发的量子态，彼此相距较远，从而把注定到来的湮灭推迟了足够久，久到能把正电子送进准备好的陷阱。陷阱同样巧妙：一个仅640微米宽的开口让电子偶素进入，电场随即剥掉电子，只留下正电子。这个装置叫彭宁陷阱，靠电场和磁场的组合把带电粒子约束住，不让它碰到器壁。

陷阱的真空环境极佳，温度冷却到仅300毫开尔文，只比绝对零度高一点点。在这里，正电子可以与外界隔绝。对研究人员来说，等待的过程相当紧张。加布里埃尔斯描述：打开探测器，然后等；终于看到来自被捕获正电子的电信号，就把放射源从陷阱旁拉开，防止更多正电子被装入。

留住它只是第一步。在陷阱的强大磁场中，正电子沿微小圆圈运动，这叫回旋运动。研究人员把它冷却到最低量子能态，再用精心调谐的微波，让它一次一个量子地在离散能级间跳跃。关键在于，他们能检测到这些变化以及正电子自旋的翻转，同时不扰动正在测量的量子态。加布里埃尔斯说，他和研究组多年来一直在追求"单正电子量子回旋"，看到正电子做一个量子的能级跳跃，非常令人满足；他也为汤姆·迈尔斯（Tom Myers）的博士论文工作最终取得成功感到高兴。

那么，费这么大劲关住一个正电子，图什么？

答案指向物理学的一条基本原则：CPT对称性。C、P、T分别代表电荷、宇称和时间反演，三者同时施加，基本物理定律应当保持不变。这条原则的一个推论是：粒子与其反物质对应物，某些性质应当完全一致。比如电子和正电子都像一根微小的条形磁铁，拥有"磁矩"，两者的磁矩大小应当相等、符号相反。

电子的磁矩已被测到惊人精度。如今，凭借对单个正电子的操控能力，加布里埃尔斯和同事希望对它的反物质孪生子做同样的事。他解释说，如果两者大小相同，那将是对标准模型CPT不变性最精确的确认——标准模型是物理现实最基础的数学描述。

测量仍在进行中，团队希望明年初报告结果，不过考虑到这是理解如此难以捉摸的粒子的最佳机会，也可能需要更长时间。无论结果如何，都可能成为对现代物理学基石之一最严格的检验。

有意思的是，即便结果与理论完美吻合，物理学家面前仍会留下大问题。加布里埃尔斯说，那会加深一个谜团：标准模型为何能对我们测量到的东西做出如此精确的预测，却又与宇宙的基本特征不相容。

换句话说，把正电子关进笼子只是手段。真正想追问的，是那个最初的问题——宇宙为什么没有在诞生之初把自己抹掉。这项研究已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。