- 西北大學團隊首次捕捉並冷卻了正電子，創建量子迴旋加速器。
- 正電子無法儲存在容器中，因為會與物質湮滅。
- 研究人員精確測量正電子的磁矩，尋找物質與反物質的差異。
- 如果測量結果不同，可能會打破現有的標準模型。
如果宇宙大爆炸創造了相等數量的物質與反物質，那麼現存的一切早該在數十億年前相互抵消。然而，我們的世界仍然存在。現時，西北大學的物理學家或許找到了原因。由傑拉德·加布裏埃爾教授及其博士生託馬斯·邁爾斯領導的團隊，捕捉、冷卻並困住了一個單一的正電子（電子的反物質對應物），並將其置於「極為可控的量子狀態」之中。值得注意的是，這是首次創建「一個正電子量子迴旋加速器」。
正電子的量子控制
常規物質由電子、質子和中子組成，而反物質宇宙則由正電子、反質子和反中子構成。然而，反物質的研究極其棘手。當一個反物質粒子接觸到常規物質時，兩者會在瞬間湮滅，釋放出能量。正電子無法儲存在容器中，因為與普通物質接觸會立即摧毀它們。因此，研究這些粒子需要小心處理，儘管使用的微量並不會造成真正的爆炸風險。加布裏埃爾表示：「如果我們想研究反物質，必須小心處理。明確來說，這並不危險。
我們沒有足夠的反物質來製造爆炸。」
正電子的量子控制
在這項研究中，物理學家從放射性衰變中捕獲了一個單一的正電子，將其冷卻至接近絕對零度，並利用磁場和電場將其困住在真空內。這種狀態創造了一個正電子量子迴旋加速器，使粒子能像「人造原子」一樣運作，其能量水平可以準確操控，而不會接觸到普通物質並導致湮滅。在此次研究中，研究人員捕獲了一個在鈉-22 的放射性衰變中釋放的高能正電子，將其減速並引導至一個定製設計的電磁陷阱內。
一旦進入，內部的溫度被降至冰冷的 300 毫開爾文（僅比絕對零度高 0.3 度）。正電子懸浮在近乎完美的真空中，從未接觸到任何牆壁。擺脫外部噪音後，它穩定在最低能量狀態，基本上表現得像一個人造原子，科學家可以操控它長達數月之久。加布裏埃爾表示：「我們將其冷卻到如此低的溫度，使其進入量子基態。我們實際上引導了這個非常快的正電子，讓它在那裡靜置並表現數月之久。」
尋找模型中的裂縫
尋找物質與反物質的差異
標準模型描述了基本粒子和宇宙四種基本力中的三種，但物理學家知道它並不完整，因為它無法解釋為何物質主導於反物質。西北大學的研究人員展示了他們如何使用精確調整的微波脈衝觸發並觀察困住的正電子個別的量子轉變。這種控制程度有助於極其精確地測量正電子的磁矩，重複了之前測量電子磁矩的實驗，精度達到十兆分之一。將這兩項測量進行對比將有助於物理學家尋找物質與反物質之間的微小差異。
加布裏埃爾表示：「目前的理論表明，這兩項測量之間不會有差異。如果結果不相等，那將是過去一個世紀中物理學上最大的發現。」
如果這兩項測量之間出現差異，將可能打破標準模型，並最終提供為何物質在宇宙拉鋸戰中獲勝、使我們的宇宙得以存在的線索。這項研究的結果已於 10 月 21 日發表在《物理評論快報》中。
正電子研究對物理學的影響
這項研究展示了如何在極端條件下控制反物質，為物理學提供了新的探索方向。正電子的量子控制不僅能增進我們對反物質的理解，還可能揭示物質主導宇宙的原因。若測量結果顯示物質與反物質之間存在差異，將對現有的標準模型提出挑戰，並可能改變我們對宇宙基本結構的認識。這些發現不僅有助於基礎科學，亦可能在未來的技術應用中產生深遠影響。