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一粒正电子被关进了没有墙壁的笼子，而且一关就是数月。美国西北大学杰拉尔德·加布里埃尔塞（Gerald Gabrielse）团队首次实现对单个正电子的长时间囚禁与量子操控，为检验电子与正电子的对称性搭起了迄今最严格的实验平台。 “关”本身不是这项研究的终点，团队真正要测的是一个数：正电子的磁矩，再把它与电子的磁矩逐位对照。两个数若对不上，粒子物理的标准模型就要被重新审视。新华网
反物质不能碰墙，笼子就得没有墙
湮灭是反物质研究的第一道坎：正电子碰到任何普通电子，两个粒子会一起消失、化作能量，瓶壁越实在，对正电子而言越是坟墓。过去，反物质造出来后只能“看一眼”，很难做长时间、高精度的测量。知乎
团队的解法分四步。第一步产生粒子：用放射性同位素钠-22的衰变吐出高速正电子。第二步减速：把正电子射向冷钨晶体，让它与原子反复散射耗能，多数粒子在这一步就与物质接触湮灭，只有足够慢的幸存者继续前进。 第三步囚禁：用电磁场把慢正电子引接进近乎完美的真空陷阱，内部温度降到约300毫开尔文，相当于比绝对零度只高0.3摄氏度。 电场与磁场缺一不可，原因写在教科书里：1842年就已证明的恩肖定理指出，纯静电场关不住带电粒子——电场锁住上下，磁场把水平方向的外逃轨迹弯成绕圈，粒子才算三面无路可逃。知乎新华网
第四步是读。阱中到底有几颗正电子，靠信号频率的跳变幅度确认；据研究报道，把一个可用的正电子送进陷阱要8到11个小时。 送进去还要冷到回旋运动能量台阶的最底一级，此后用精确调谐的微波注入能量，触发并探测量子跃迁。 到这一步，这只本该转瞬即逝的反物质“野兽”，成了一座可操控、可读数的量子系统。知乎新华网
费这么大劲，目标是一个数
实验要精确测定两个能量：让正电子自旋翻转所需的能量，和把它从基态踢到第一激发态所需的能量，两个频率一比，磁矩就出来了，连磁场强度都不用单独校准。 同一套流程，团队已经先在电子身上跑通过：实验室此前用同类方法把电子磁矩测到了约十万亿分之一的精度。 而标准模型的一块基石——CPT对称性——恰好要求电子与正电子的磁矩严格互为相反数。知乎新华网知乎
这个数为何值得如此大动干戈？因为大爆炸按理应产生等量的物质与反物质，若两者真能完全对称地湮灭，今天的宇宙不会留下恒星、行星和生命。过去几十年，物理学家确实在少数粒子的行为中发现过轻微的物质偏向，但幅度远不足以解释这个缺口——标准模型解释不了它，因此任何微小偏差都可能是新物理的痕迹。 与质子—反质子的比较路线相比，电子—正电子这一对可以把精度提高约1万倍，足够小的偏差才有被暴露的空间。新华网知乎
先别想到反物质燃料，那个数还没测出来
需要说清的边界是：这篇论文没有报告正电子磁矩的新测量值，也没有发现任何不对称的证据，它完成的是“关得住、冷得下、读得出”这一前置步骤。 实验室里被真正“驯服”的反物质，目前仍只有这一粒正电子，它和能源、材料之类的用途之间隔着以数量级计的鸿沟——这项突破的价值在“测”，不在“用”。知乎
未参与该项目的费米实验室理论物理学家罗尼·哈尼克认为，这是令人兴奋的进展，它让基本对称性第一次可以被这样检验。 欧洲核子研究中心的反物质物理学家芭芭拉·拉塔奇同样把它视为探索标准模型之外物理学的重要成就。 真正决定这项工作的物理学意义的，将是接下来得到的数字：两种粒子的磁矩能否在更高精度下保持严格对称——若显示不符，那将是最重大的发现之一；即便完全一致，基础对称性的检验也将被推到新的精度水平。知乎知乎新华网
