一个反物质粒子被囚禁数月，或开启物理学革命

（图源：量子号）

宇宙中几乎所有我们熟悉的物质，都属于普通物质。

但按照现有粒子物理理论，大爆炸本应产生数量相当的物质与反物质，两者相遇又会湮灭成能量。

物质为何最终占据了宇宙，至今仍是物理学最根本的未解之谜之一。

《自然》（Nature）10月21日报道，美国西北大学物理学家杰拉尔德·加布里埃尔塞（Gerald Gabrielse）团队已成功囚禁并冷却单个正电子，为精确比较物质与反物质的磁矩铺平道路。

如果两者之间存在哪怕极其微小的差异，现有物理理论都可能面临重大挑战。

发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究截图

划重点：

• 研究团队将单个正电子囚禁在接近绝对零度的环境中，使其保持在最低可能能态，并可存活数月。

• 电子与正电子的磁矩可进行极高精度比较，研究团队希望借此寻找物质与反物质之间尚未发现的差异。

• 如果两者的磁矩并非严格互为相反数，粒子物理学标准模型赖以建立的一些基本认识就需要重新审视。

本文2900多字，目录如下：

1. 物质与反物质，究竟有何不同？

1.1. 宇宙为何没在诞生之初湮灭殆尽？

1.2. 为何要测量电子与正电子的磁矩？

2. 如何把一个正电子囚禁数月？

2.1. 从高速粒子中筛选出一个幸存者

2.2. 让正电子发生量子跃迁

3. 一旦出现偏差，标准模型将面临挑战

1.

物质与反物质，究竟有何不同？

1.1. 宇宙为何没在诞生之初湮灭殆尽？

物质与反物质的基本粒子具有相同的质量，但某些性质相反。例如，电子带负电，反物质对应粒子正电子则带正电。当两者相遇时，会发生湮灭，将粒子的能量转化为其他形式的能量。

按照描述基本粒子及其相互作用的标准模型，大爆炸产生的物质与反物质应当大体相当。如果两者数量完全相等、分布条件也允许它们充分相遇，那么绝大部分物质都将与反物质湮灭，今天的宇宙便不会留下如此丰富的物质结构。

然而，恒星、行星以及构成生命的原子都表明，物质显然占据了压倒性优势。为什么宇宙会出现这种不对称，是现代物理学一直未能解决的难题。

从20世纪60年代开始，物理学家不断提高反物质研究的精度，希望找到物质与反物质之间的差异。研究人员确实在少数粒子的行为中发现了轻微的物质偏向，但这些差异远不足以解释宇宙目前的物质组成。

此前，对质子与反质子的精密比较也未能发现能够解释这一谜题的差异。

寻找新的线索，需要更精确的测量方法。

1.2. 为何要测量电子与正电子的磁矩？

这一次，加布里埃尔塞团队把目标放在电子与正电子的磁矩上。

磁矩是描述粒子磁性的重要物理量。可以把粒子想象成具有磁性特征的微小对象：当它处于外部磁场中时，其磁性与角动量之间的关系决定了它如何响应磁场。研究人员可以通过观测粒子在磁场中的量子态变化，精确确定其磁矩。

电子与正电子的磁矩尤其适合进行高精度比较。根据相关理论，两者的磁矩大小应当相同、符号相反。换句话说，如果用同一套约定描述两者的磁矩，它们应当严格互为相反数。

与质子和反质子的比较相比，电子与正电子的磁矩测量可以达到高出约1万倍的精度。这为寻找极其微小的物质—反物质差异提供了新的机会。

为什么如此微小的偏差值得关注？

因为标准模型虽然在预测大量实验结果时表现得异常准确，却并不完整。例如，它无法解释暗物质的本质。暗物质被认为主要通过引力与其他物质发生作用，其存在的证据无法由标准模型中的已知粒子充分解释。

如果电子与正电子的磁矩出现无法由现有理论解释的差异，就意味着物质与反物质之间可能存在尚未被认识的物理机制。这样的发现将为超越标准模型的新物理提供重要线索。

研究人员设计了一种单正电子量子回旋加速器来探测该粒子的性质。（图源：Gerald Gabrielse/Northwestern University）

2.

如何把一个正电子囚禁数月？

2.1. 从高速粒子中筛选出一个幸存者

要精确测量正电子的磁矩，研究人员首先必须解决一个看似基础、实际极具挑战的问题：如何捕获并长期保存这种反物质粒子。

研究团队从放射性衰变产生的高速正电子入手。它们速度很快，难以直接用于所需的精密测量。研究人员让这些正电子与钨晶体中的原子发生散射，使其减速。

这一过程并不温和。许多正电子在过程中与普通物质接触并发生湮灭，最终只有一部分存活下来。研究人员再从中筛选出速度最慢的粒子，将它们送入专门设计的囚禁装置。

装置利用电场和磁场将单个正电子限制在特定区域，使其无法轻易逃逸。与此同时，研究人员将环境维持在高真空状态，尽可能清除可能与正电子相遇的残余气体分子。

装置温度被控制在比绝对零度高0.3摄氏度的水平。绝对零度为−273.15摄氏度，因此这一条件对应约−272.85摄氏度。

低温能够降低粒子的热运动，真空则减少了粒子与周围物质发生碰撞、进而湮灭的机会。两者结合，使研究人员能够将一个正电子保存数月。

2.2. 让正电子发生量子跃迁

长期囚禁粒子只是第一步。要测量磁矩，研究人员还必须能够精确读取正电子在磁场中的量子行为。

在达到最低可能能态后，团队使用微波辐射激发正电子，使其在不同的螺旋运动量子态之间发生跃迁。量子跃迁是指量子系统从一个允许的能态突然转变到另一个能态，而不是像经典物体那样连续地改变状态。

在磁场中，正电子的运动状态与其磁性有关。通过测量促使粒子在不同量子态之间切换所需的特定频率，研究人员便能够推算其磁矩。

这也解释了为什么实验需要极低温度和稳定的囚禁环境：只有尽量减少热运动和外界干扰，研究人员才能分辨出微小的能态变化，避免测量精度受到影响。

目前，团队已经完成了囚禁和冷却正电子的关键步骤，并开始推进下一阶段的磁矩测量。

3.

一旦出现偏差，标准模型将面临挑战

这项研究的意义，在于它为物质与反物质之间的精密比较提供了一条新的实验路径。

研究团队已经完成了这项实验的另一半：2023年，他们测量了电子的磁矩。接下来，他们将对正电子开展相应测量，再把两者的结果放在一起比较。

如果两者的磁矩严格互为相反数，测量结果将进一步支持现有理论对物质与反物质对称性的描述。但如果发现可信的偏差，问题就会变得根本性。

加布里埃尔塞指出，一旦电子与正电子的磁矩并非精确互为相反数，物理学家就不得不重新审视标准模型赖以建立的一系列基本认识。

这并不意味着一次测量就能直接解释宇宙为何以物质为主。即使发现了物质与反物质之间的新差异，研究人员仍需进一步判断其来源，以及它能否解释宇宙的物质优势。但这样的发现将为探索现有理论之外的物理规律打开重要窗口。

这项发表于10月21日《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究，已受到反物质研究领域的关注。

欧洲核子研究中心的反物质物理学家芭芭拉·玛丽亚·拉塔奇（Barbara Maria Latacz）认为，这是一项重要成就，将为探索标准模型之外的物理学提供有力手段。德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的物理学家斯特凡·乌尔默（Stefan Ulmer）也期待团队公布首批精密测量结果。

眼下，研究人员还没有报告电子与正电子磁矩之间存在差异的证据。实验的关键成果，是为下一步测量建立了条件。真正决定这项工作的物理意义的，将是接下来得到的数字：两种粒子的磁矩究竟能否在更高精度下保持严格对称。

参考资料：

Elizabeth Gibney. A single antimatter particle in a cage opens door to ‘revolutionary’ physics. Nature, 21 October 2026. https://www.nature.com/articles/d41586-026-03342-2

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