物質為何沒在湮滅中消亡？

（文/Lisa Grossman） 題圖：彭寧離子阱中的電磁場。 近期，物理學家第一次看到了單個質子的翻轉。這不僅僅是技術上的一個偉大成就，也許在它的幫助下可以解決困擾物理家很久的謎題——為何宇宙中正物質會遠遠多於反物質。天文學家認為在大爆炸之處，創造了同樣數量的正物質和反物質。正物質組成了我們看到的宇宙，包括恆星、行星和人類；而反物質只是與正物質電性相反而已。但是，當正物質與反物質不期而遇時，它們會發生湮滅變成能量。然而，我們似乎足夠的幸運，因為大量的正物質被剩了下來。這也是困擾現代物理學的一個重要謎題，為何剩下了如此多的正物質。一種可能的解釋就是，除了電性相反之外，反物質和正物質也並非全然相同，所以它們沒有完全達到湮滅的要求。為了證實這種說法是否正確，物理學家需要精確的比較正物質與反物質。6月24日，《物理評論快報》上的一篇文章將這個想法付諸於了實驗中。物理學家通過測量質子的磁矩進一步比較了質子與反質子。「對於正物質和反物質來說，磁矩從來沒有被比較過。」德國亥姆霍茲研究所的量子物理學家斯忒芬?厄爾默（Stefan Ulmer）說，他是文章合著者之一。「我們的方法推進了物質和反物質進一步比較的可能性。」磁矩描述的是一個粒子在磁場中的表現。它存在一個固有的方向，就像指南針的指針總是向南一樣。當然，在額外磁場的作用下，它可以向上或是向下的發生改變。在此之前，測量質子的磁性質需要上百萬甚至更多的質子參與。但是同樣的工作並不適用於反物質，因為反物質的存在時間不足以完成一次測量。在本月初，歐洲核子中心的反物質探測器將300多個反氫原子保存了長達1000秒的時間，但這仍不足以實現磁性質的測量。厄爾默和他的同事在這次研究中，通過觀察質子的前後翻轉，實現了測量單個質子磁矩的可操作性，進一步測量單個反質子的磁矩也成為了可能。他們的操作是將單個質子固定在了一個微小的「彭寧離子阱」中，這個離子阱是一個真空阱，通過電磁場將帶電的粒子束縛其中。在一個固定的磁場中，質子往往會使自己的「小磁針」保持方向一致，它的北端向上。但是，當加入一個額外的磁場後，質子的「小磁針」會發生一個翻轉，北端向下。當然它會根據磁場的強弱對它磁矩的影響做出一個快速的調整。目前，他們知道了如何測量單個質子的磁矩，研究者們打算將他們的設備用於歐洲核子中心並測量反質子的磁矩。厄爾默認為他們能做出了有史以來最精確的測量。上世紀80年代類似的研究測量過電子和正電子（電子的反物質對）的磁矩。這一研究發現，在上億的粒子中這兩種粒子除了電性外其他性質保持著驚人的一致，這也將為何正物質和反物質沒有彼此消耗的謎題延續至今。但是，質子的磁矩比電子的磁矩弱了660倍，所以厄爾默的實驗無疑是一個巨大的技術挑戰。「這就需要更高的精度，比以往的精度要高出10000多倍。」厄爾默說，「我們建造了最小的彭寧離子阱，這是一件很酷的事情。」如果質子和反質子表現出了不同的磁矩，「那麼，很多現代的量子場理論會被改寫。」佛羅里達州立大學的物理學家埃德蒙?邁爾斯（Edmund Myers）說，他並沒有參與這項新的研究。「如果差異存在，理論物理學家們將看到他們最不願意見到的事情發生。但這卻是實驗人員最渴望發現的。」原文看這裡科技名博微博博主介紹：Lisa Grossman 2009年畢業於加州大學Santa Cruz分校，科技交流專業。畢業後，她一直從事科技寫作工作，從碩士期間便在Science News等地方做編輯，現在在Wired上開博。她的博客內容涉及面相當廣，涵蓋各個學科。

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