物理学家捕获单个反物质粒子并稳定囚禁数月

美国西北大学物理学家成功捕获单个正电子（电子的反物质对应粒子），并在彭宁离子阱（Penning trap）中将其冷却至量子基态。研究团队将这一装置称为“单正电子量子回旋加速器”，并已将该粒子稳定束缚了数月之久。该研究由 Gerald Gabrielse 领导，成果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，博士生 Thomas Myers 为论文第一作者。

研究团队计划利用该装置精确测量正电子的磁矩，并与电子磁矩进行比对，以严苛检验粒子物理标准模型的一项基本对称性。

制造“没有物理接触壁”的容器

实验中的正电子来自放射性同位素钠-22，其释放出的正电子初始能量高达 546 千电子伏特。而离子阱的运行温度维持在 300 毫开尔文（mK），对应热运动能量比释放时低了 10 个数量级以上。

为了捕获这些高能粒子，正电子首先经过钨慢化体降速。部分正电子会捕获一个电子，形成电中性的电子偶素（positronium），从而顺利穿过微波腔上一个 625 微米的微小开口，进入近乎封闭的微波腔内部。进入腔内后，离子阱的强电场迅速将电子剥离，将纯净的正电子单独留存在阱中。目前装载单个正电子通常需要 8 到 11 个小时。

Gabrielse 表示：“要束缚住反物质，就必须把它放在一个没有物理接触壁的容器中。”实验团队还证实，他们可以通过精确调谐的微波向正电子注入特定能量，并观测到单个正电子的量子跃迁过程。

检验标准模型的镜像对称

此前，Gabrielse 团队已利用“单电子量子回旋加速器”将电子磁矩的测量精度提升至万亿分之一。相比之下，正电子的磁矩测量长期处于滞后状态。目前最优的电子-正电子磁矩对比数据仍来自 1987 年的一项实验，当时测得两者的 g 因子在万亿分之 2.1 的范围内保持一致。

苏黎世联邦理工学院物理学家 Paolo Crivelli 指出，新设备为正电子磁矩测量精度带来近 30 倍的提升空间。

根据量子场论中的 CPT 对称性，粒子与对应的反粒子应当具有大小完全相等、符号相反的磁矩。Crivelli 表示，一旦证实两者存在微小差异，将直接挑战相对论量子场论的理论基石，并可能为“宇宙为何充满物质而非反物质”这一世纪谜题提供关键线索。费米实验室理论物理学家 Roni Harnik 也认为，这是一项令人兴奋的进展，使物理学界能够更深入地测试自然界的基本对称性。

Gabrielse 表示，现有理论预测两次测量的数值不会有任何差异，但如果最终证实它们并不相等，那将成为近百年来物理学界最重大的科学发现之一。