将一个反物质粒子囚禁数月

电子，是自然界中的基本粒子之一。近80年前，电子反常磁矩的发现，在量子电动力学（QED）的诞生过程中发挥了关键作用。此后，在所有基本粒子的各种物理性质中，电子磁矩成为测量精度最高的物理量之一，为检验粒子物理学的标准模型提供了重要依据。

标准模型是一套描述宇宙中基本粒子及其相互作用的物理学理论，涵盖了四种基本相互作用中的三种：电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。

大量实验已经以极高的精度证实了标准模型的预测。然而，它仍然无法解释一些根本性的问题。其中一个谜题是：为什么宇宙中的物质远多于反物质？按照现有理论，宇宙大爆炸应当产生近乎等量的物质与反物质，而两者一旦相遇，就会发生湮灭。因此，物理学家一直希望通过精密比较粒子与反粒子的性质，寻找可能超出标准模型的物理学线索。

然而，尽管电子磁矩的测量精度已经达到万亿分之一以下，对电子的反物质对应粒子——正电子的测量却长期未能取得同等程度的进展。

如今，在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，物理学家首次实现了单正电子量子回旋加速器，不仅能够长期囚禁单个正电子，还可以操控其量子化的回旋运动状态和自旋态。这项突破为大幅提高正电子磁矩的测量精度开辟了道路。

一个没有器壁的容器

要开展这项实验，研究人员面临一个挑战：如何长期保存单个正电子？

地球上几乎所有的普通物质，都由电子、质子和中子构成。而正电子作为电子的反粒子，一旦与电子相遇，二者就会发生湮灭。因此，科学家无法将正电子简单地放入普通容器中，而必须让它始终与周围的物质保持隔离。

为此，研究团队使用了经过特殊设计的彭宁阱。这种装置利用电场和磁场，将带电粒子限制在真空中的特定区域，使其不必接触任何实体容器壁，从而实现被长期囚禁。

从高速运动到静止

但在囚禁正电子之前，还需要解决另一个问题：如何俘获正电子？

某些原子核在发生放射性衰变时会产生正电子。在这项实验中，研究人员利用钠的一种放射性同位素——钠-22——作为正电子源。钠-22衰变释放出的正电子具有很高的能量，其动能最高可达546千电子伏特（keV）。

为了俘获这些高速运动的正电子，研究人员必须让它们大幅减速，才能将其中一个俘获到温度被维持在300毫开尔文（仅比绝对零度高0.3开尔文）的彭宁阱中。

然而，要将正电子送入彭宁阱，并不能简单地在装置上开一个大口。这是因为，彭宁阱的电极同时构成了一个近乎封闭的微波谐振腔，能够抑制正电子激发态的自发辐射，从而延长其量子态的寿命。如果开口过大，就会削弱这种效果。

为了解决装载难题，研究人员巧妙地利用了正电子素（positronium）。经过减速的正电子可以与一个电子结合，形成整体不带电的正电子素。它能够穿过谐振腔上一个直径仅625微米的小孔，进入彭宁阱内部。随后，阱内的电场使正电子素发生电离，电子逸出，而正电子则被留在阱中。

通过这种方式，研究人员成功将单个正电子送入了近乎封闭的彭宁阱。目前，完成一次单正电子装载需要8至11小时，但一旦捕获，它就可以被稳定囚禁数月之久。

研究人员还证明，他们能够精确操控和探测正电子的各个量子能态。通过施加经过精细调节的微波，研究人员向正电子注入微小而精确的能量，诱导它在不同的回旋量子能级之间发生量子跃迁。

更严格的检验

这种精确控制单个正电子量子态的能力，为实现研究人员的最终目标奠定了基础：以前所未有的精度测量正电子磁矩，并将其与电子磁矩进行比较。

在此前的研究中，研究团队利用单电子量子回旋加速器，将电子磁矩的测量精度提高到了约十万亿分之一，成为迄今对基本粒子性质最精确的测量之一。如今，随着单正电子量子回旋加速器的实现，研究人员有望将同样的高精度测量技术应用于正电子，从而对两种粒子的磁矩展开更加严格的比较。而通过比较它们的磁矩，研究人员有望对标准模型的基本CPT不变性进行迄今最严格的检验。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-03342-2

https://physics.aps.org/articles/v19/132

https://news.northwestern.edu/stories/2026/10/scientists-trap-and-tame-a-single-particle-of-antimatter-for-months?fj=1

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gbkc-6nlj

#图片来源：

封面及首图素材来源：G. Gabrielse and L. Soucy/Northwestern University