浙江
美国西北大学物理学家团队近日在粒子物理实验领域取得重大突破，首次将电子的反物质对应粒子——正电子，成功引导并稳定控制在精确的量子态下，且在近乎绝对零度的极端真空环境中悬浮囚禁长达数月。这项发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究成果构建了全球首个“单正电子量子回旋加速器”，为人类探索宇宙物质留存之谜开辟了全新实验路径。
在现代物理学中，标准模型虽极高精度地描述了基本粒子及四种基本相互作用力中的三种，却始终无法解答一个核心谜题：按照理论推演，宇宙大爆炸应当产生等量的物质与反物质，二者相遇便会瞬间发生湮灭并化为乌有；但现实中可观测宇宙却几乎完全由正物质构成，星辰、行星乃至人类得以留存。研究负责人杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）表示，这表明现有的标准模型仍存在关键缺陷或未尽之处，科研团队希望通过对最基础粒子系统的超精密检验，找出既有理论的突破口。
由于反物质一旦接触常规物质容器壁就会立即湮灭，极难长期保存。研究团队首先从稀有同位素钠-22的放射性衰变中获取高能正电子，将其大幅减速后导入专门设计的电磁陷阱中，利用特殊电场和磁场将其悬空隔离于近乎完美的真空环境内，彻底隔绝了它与外界普通物质的接触。与此同时，科学家在陷阱内部维持着仅比绝对零度高出0.3摄氏度的约300毫开尔文超低温环境，成功使高速运动的正电子冷却至最低量子基态，使其如同人造原子一般乖乖静止并展现出清晰的量子能级。在此基础上，团队利用经过精细调谐的微波注入微量能量，精准触发并观测到了正电子在不同量子态之间的跃迁。
此前，加布里埃尔斯团队曾利用“单电子量子回旋加速器”，以高达十万亿分之一的惊人精度测出了电子的磁矩（衡量粒子与磁场相互作用强度的物理量）。此次成功将同等级别的量子操控技术延伸至单个反物质粒子后，该团队的下一步目标是对正电子磁矩进行同等精度的测量。根据现有物理学理论预测，电子与正电子的磁矩应当大小完全相等、方向相反。加布里埃尔斯指出，如果在后续精密比对中发现二者的磁矩数值存在哪怕极其微小的差异，都将直接动摇标准模型根基，不仅有望揭示宇宙正反物质失衡的深层机制，更将成为过去一个世纪以来物理学界最重大的科学发现。
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