单个反物质粒子在实验室陷阱中悬浮数月，可能帮助物理学家解释物质为何得以存留并构建出我们周围的宇宙。

美国西北大学物理学家首次将正电子——电子的反物质对应粒子——制备到精确控制的量子态。他们从放射性衰变中捕获这种高能粒子后，将其冷却至接近绝对零度，并悬浮在近完美真空中。

该成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），构建了一个单正电子量子回旋器（one-positron quantum cyclotron）。如同人造原子，被囚禁的正电子具有可被研究人员操控和观测的分立量子能级。

这种控制为物质与反物质的极高精度比较提供了路径。通过测量正电子的磁性质并与电子比较，团队希望检验粒子物理学的一项基础预言，并寻找当前理论存在遗漏的迹象。

物质为何幸存仍未解

标准模型描述基本粒子以及自然界四种基本力中的三种（电磁力、强核力、弱核力）。尽管实验已以极高精度反复验证其预言，它仍无法解释为何可观测宇宙中的物质远多于反物质。

研究负责人杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）表示：“反物质的流行形象来自科幻作品。若将电子与反电子（即正电子）碰撞，两者都会消失。我们称其为湮灭，这一概念为科幻作家提供了想象素材。宇宙的最大谜团在于，大爆炸本应产生等量的物质与反物质。但若果真如此，它们会湮灭，最终什么都不剩。该理论显然存在问题，这正是我们试图弄清的地方。”

未解问题是物质如何逃过湮灭，进而形成恒星、行星和人类。

“我们知道标准模型必然在某处有误——或至少不完整，”加布里埃尔斯说，“例如，它无法预言宇宙为何存在，这是一个相当大的漏洞。我们正在极精确地检验最基础、最简单的系统，以寻找理论失效之处。我们希望找到明确无歧义的答案。”

无接触囚禁装置

地球上几乎所有物质都由电子、质子和中子构成。反物质世界则可能由正电子、反质子和反中子构成。加布里埃尔斯表示，若此处一切均由反物质构成，差异将极难识别。问题始于物质与反物质相遇，这使普通容器不适合容纳正电子。

“若想研究反物质，必须谨慎处理，”加布里埃尔斯说，“需要明确的是，它并不危险。我们没有足够多的反物质来制造爆炸。”

美国西北大学团队使用专门的电场与磁场，将粒子悬浮在先进陷阱的壁面之外。近完美真空将粒子与普通物质的相遇降至最低，使正电子可被囚禁数月。

捕获它首先需要克服其巨大的初始能量。研究人员从钠-22（一种稀有钠同位素）的放射性衰变中获得正电子，然后大幅降低粒子速度并将其引导入陷阱。

将反物质冷却至量子控制

陷阱内部温度约为300毫开尔文，仅比绝对零度高0.3摄氏度（0.54华氏度）。冷却使研究人员能够将正电子的回旋运动——其在磁场中的环绕运动——降至最低量子能态。

“我们将其冷却到量子基态，”加布里埃尔斯说，“我们实际上引导这个速度极快的正电子停留在那里，并使其一次稳定运行数月。”

随后，团队使用精确调谐的微波注入微小能量，并检测正电子在单个量子态之间的跃迁。能够触发并观测这些变化，提供了进行高精度磁性测量所需的控制。

该实验结合了加布里埃尔斯职业生涯的两条脉络。他的团队此前开发了隔离电子并测量其磁性质的技术，而他在减速、捕获和冷却反质子方面的开创性工作推动了低能反物质研究。新研究将电子上实现的量子控制扩展到单个反物质粒子。

寻找不匹配

在早期工作中，加布里埃尔斯团队使用单电子量子回旋器将电子磁矩测量到约十万亿分之一的精度，这是对基本粒子最精确的测量之一。磁矩描述粒子与磁场相互作用的强度。

下一个目标是对正电子进行可比测量。电子与正电子电荷相反，理论预言其磁矩大小相等、方向相反。若出现意外不匹配，将挑战标准模型，并可能为宇宙中物质与反物质的不平衡提供线索。

“当前理论认为两次测量不会有差异，”加布里埃尔斯说，“如果结果表明它们不相等，那将是过去一个世纪物理学最大的发现。”

参考文献：T. G. Myers, L. Soucy, B. A. D. Sukra, B. Sinha and G. Gabrielse, “One-Positron Quantum Cyclotron,” August 20, 2026, arXiv. DOI: 10.1103/gbkc-6nlj