把反物质粒子悬空锁住三个月：西北大学如何用电磁牢笼探寻宇宙存在之谜

怎么把一个碰到任何东西都会瞬间化成强光的粒子，孤零零地关上几个月？ 这不是科幻小说里的情节，这是物理学家刚在实验室里干成的一件事。 他们抓住了一个正电子，也就是电子的反物质分身。 而且把它悬空关在一个特制的容器里，稳稳关了三个多月。 很多人第一反应：关一个微观粒子，有那么难吗？ 太难了。 难就难在它是反物质。

在物理学里，反物质是脾气最暴躁的存在。 它跟我们周围的所有物质都是天生的死敌。 只要正电子碰上普通物质里的电子，两者就会在亿分之一秒内同时湮灭，化成两束高能伽马射线。 问题是，我们这个世界本身就是全由普通物质构成的。 任何玻璃瓶、金属罐、哪怕是实验室里最精密的钢制容器，内壁全都是由电子和原子核组成的。 你想拿一个实体容器去装反物质，它碰到容器壁的瞬间就炸了。 所以，装它的笼子，绝对不能有任何实体的墙。

没有墙，怎么关？ 答案是用纯粹的电磁场，织一张悬空的网。 这项技术叫彭宁阱。 物理学家造了一个圆柱形的腔体，外面套上一台超导磁体，轰出 5.6 特斯拉的强磁场。 带电的正电子在磁场里会受到洛伦兹力，被迫在原地画圈，根本没办法往左右横移。 光有磁场还不够，它还会沿着磁力线上下乱窜。 研究人员在圆柱腔体的上下两头加上电极，通上经过精密计算的电压，造出一个两头高、中间低的静电势阱。 左右被磁场锁死，上下被电场堵住。 这个正电子就被生生悬空架在了虚空正中央。

笼子搭好了，但真正的麻烦才刚开始。 即使你把容器里的空气抽得再干净，在常温环境下，里面依然会飘着几十亿个到处乱撞的残余气体分子。 只要有一个游荡的氮分子或者氧分子撞上去，正电子就会立刻自爆。 怎么把空腔里的每一丝杂质彻底清除？ 西北大学的加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）团队，把整个彭宁阱塞进了一台稀释制冷机里。 制冷机开动，温度直接砸到了 300 毫开尔文。 也就是零下 272.85 摄氏度，距离绝对零度只差 0.3 度。 在这个温度下，连最顽固的气体分子都会被活活冻死，牢牢吸附在金属内壁上。 陷阱正中心的真空度，比深空宇宙还要干净几千倍。

笼子准备就绪，反物质从哪里抓？ 实验室用的是放射性同位素钠-22。 钠-22 自然衰变的时候，会吐出正电子。 但刚吐出来的正电子，带着几十万电子伏特的动能，像一颗超高速出膛的炮弹。 这么猛的冲力，电磁笼子根本兜不住，一眨眼就会撞墙自毁。 怎么让它慢下来？ 研究人员在它冲出来的路径上，挡了一块只有微米级别的冷钨单晶薄膜。 高速正电子一头扎进钨单晶里，跟晶格结构疯狂撞击，就像炮弹打进了极深的雪堆。 绝大部分动能全在撞击里耗散掉了。 最后只有极少数正电子，像散步一样慢悠悠地从另一头飘出来，动能只剩下几电子伏特。 就在这个瞬间，电磁陷阱的电门打开，把飘进来的正电子一口吞下，然后瞬间合上大门。

刚放进笼子里的，是一小群正电子。 怎么把它变成只有一个？ 研究人员开始在电路上做极其微小的电压调制，像筛子抖沙子一样，一点点降低势阱的边缘。 多余的正电子被一个接一个抖出去。 探测电路里记录的电信号，就像楼梯台阶一样，一级一级往下掉。 直到掉到最后一级台阶，只剩下一个孤独的波形。 这时候，整个几吨重的低温庞然大物正中心，只剩下唯一的一个正电子。

最神奇的事情发生了。 在 0.3 开尔文的极低温里，周围没有任何热量干扰。 这个孤零零的正电子在磁场里打转，一边转，一边把自己多余的能量全部辐射了出去。 按照量子力学，它最终跌落到了能量最低的位置：量子基态。 这个装置，就成了物理学史上第一个单正电子量子回旋加速器。 这时候的它，安静到了极点。 科学家打入一束精心调谐的微波光子，就能推着它向上跳跃一个量子能级； 换一个频率，就能精准翻转它的自旋方向。 更厉害的是，他们采用的无破坏性量子测量技术，可以随时读取它的状态，却不会破坏它分毫。 这个小家伙在虚空中漂浮着，一关就是几个月。

花了这么大代价，甚至用上了超导磁体和稀释制冷机，就为了看一个反物质粒子跳舞？ 当然不是。 物理学家盯着它，是为了回答现代物理学最让人睡不着觉的一个大问题。 按照大爆炸理论，宇宙诞生之初，能量转化为物质，正物质和反物质必须是一比一同时产生的。 根据粒子物理的标准模型，正物质和反物质必须满足完美的 CPT 镜像对称。 也就是说，电子和正电子的质量、电荷大小和磁矩，必须丝毫不差。 如果它们真的完全一样，那问题就来了： 大爆炸之后，所有正物质和反物质早就该互相湮灭殆尽，整个宇宙应该只剩下一片虚无的光子。 那今天天上的星系、地球上的山川、还有你和我，究竟是怎么来的？ 现实是，反物质几乎全消失了，宇宙完完全全由正物质统治。 这说明在宇宙诞生的最初时刻，每 100 亿对正反物质相互抵消，就多出来了一个正物质粒子，最终构成了我们眼前的整个世界。 为什么正物质会多出来？ 唯一的可能，就是标准模型的镜像对称里藏着裂缝。 正物质和反物质之间，一定存在着某种极其微弱的物理差异。 加布里埃尔斯之前带领团队，把普通电子的磁矩测量到了万亿分之 0.13 的惊人精度，也就是小数点后第 13 位。 那是人类实验物理学上最精准的纪录之一。 现在，这台单正电子装置，把同样的精度标尺推到了反物质面前。 科学家要把正电子的磁矩同样测到小数点后 13 位，甚至更深。 只要对比的时候，这两张图纸在最后几位小数上出现哪怕一丝一毫的偏差， 统治了现代物理学几十年的标准模型就会被正式打破， 而宇宙为什么能存在、我们为什么能站在这里的答案，可能就在那微小到不可思议的一串数字里。