- 西北大学团队首次捕捉并冷却了正电子，创建量子回旋加速器。
- 正电子无法储存在容器中，因为会与物质湮灭。
- 研究人员精确测量正电子的磁矩，寻找物质与反物质的差异。
- 如果测量结果不同，可能会打破现有的标准模型。
如果宇宙大爆炸创造了相等数量的物质与反物质，那么现存的一切早该在数十亿年前相互抵消。然而，我们的世界仍然存在。目前，西北大学的物理学家或许找到了原因。由杰拉德·加布里埃尔教授及其博士生托马斯·迈尔斯领导的团队，捕捉、冷却并困住了一个单一的正电子（电子的反物质对应物），并将其置于“极为可控的量子状态”之中。值得注意的是，这是首次创建“一个正电子量子回旋加速器”。
正电子的量子控制
常规物质由电子、质子和中子组成，而反物质宇宙则由正电子、反质子和反中子构成。然而，反物质的研究极其棘手。当一个反物质粒子接触到常规物质时，两者会在瞬间湮灭，释放出能量。正电子无法储存在容器中，因为与普通物质接触会立即摧毁它们。因此，研究这些粒子需要小心处理，尽管使用的微量并不会造成真正的爆炸风险。加布里埃尔表示：“如果我们想研究反物质，必须小心处理。明确来说，这并不危险。
我们没有足够的反物质来制造爆炸。”
正电子的量子控制
在这项研究中，物理学家从放射性衰变中捕获了一个单一的正电子，将其冷却至接近绝对零度，并利用磁场和电场将其困住在真空内。这种状态创造了一个正电子量子回旋加速器，使粒子能像“人造原子”一样运作，其能量水平可以准确操控，而不会接触到普通物质并导致湮灭。在此次研究中，研究人员捕获了一个在钠-22的放射性衰变中释放的高能正电子，将其减速并引导至一个定制设计的电磁陷阱内。
一旦进入，内部的温度被降至冰冷的300毫开尔文（仅比绝对零度高0.3度）。正电子悬浮在近乎完美的真空中，从未接触到任何墙壁。摆脱外部噪音后，它稳定在最低能量状态，基本上表现得像一个人造原子，科学家可以操控它长达数月之久。加布里埃尔表示：“我们将其冷却到如此低的温度，使其进入量子基态。我们实际上引导了这个非常快的正电子，让它在那里静置并表现数月之久。”
寻找模型中的裂缝
寻找物质与反物质的差异
标准模型描述了基本粒子和宇宙四种基本力中的三种，但物理学家知道它并不完整，因为它无法解释为何物质主导于反物质。西北大学的研究人员展示了他们如何使用精确调整的微波脉冲触发并观察困住的正电子个别的量子转变。这种控制程度有助于极其精确地测量正电子的磁矩，重复了之前测量电子磁矩的实验，精度达到十兆分之一。将这两项测量进行对比将有助于物理学家寻找物质与反物质之间的微小差异。
加布里埃尔表示：“目前的理论表明，这两项测量之间不会有差异。如果结果不相等，那将是过去一个世纪中物理学上最大的发现。”
如果这两项测量之间出现差异，将可能打破标准模型，并最终提供为何物质在宇宙拉锯战中获胜、使我们的宇宙得以存在的线索。这项研究的结果已于10月21日发表在《物理评论快报》中。
正电子研究对物理学的影响
这项研究展示了如何在极端条件下控制反物质，为物理学提供了新的探索方向。正电子的量子控制不仅能增进我们对反物质的理解，还可能揭示物质主导宇宙的原因。若测量结果显示物质与反物质之间存在差异，将对现有的标准模型提出挑战，并可能改变我们对宇宙基本结构的认识。这些发现不仅有助于基础科学，亦可能在未来的技术应用中产生深远影响。