把一粒正电子关上数月，科学家要干什么？

如果有一天，你遇见了一个由反物质构成的自己，请先别急着握手，更别拥抱——因为你们会发生湮灭！每个人的体重按照 60 公斤计算，如果双方完全湮灭，合计 120 公斤的质量就会全部转化为光子等其他形式的能量，这相当于约 17 万枚“小男孩”原子弹同时爆炸！

那么，这样一个“反物质的自己”，要去哪里找呢？在地球上，它恐怕连走到你面前都很困难。因为反物质不只会与“另一个自己”发生湮灭，空气、衣服甚至是地面，这些所有普通物质都会和反物质发生湮灭。所以反物质很难在现实世界长期存在。

反物质并不是具有负质量的物质，它同样有正质量。反物质是由反粒子构成的物质，而反粒子相较于正常粒子而言，它们的质量、寿命、自旋都相同，但反粒子所有的相加性量子数都与正常粒子大小相同、符号相反。

比如说，电子的反粒子与电子具有相同的质量，但却携带等量的正电荷。出于习惯的原因，它通常不叫作反电子，而叫作正电子。再比如说，正常的质子是带正电的，而反质子则是带等量的负电荷。我们把这些反粒子，以及由它们组成的反原子等，统称为反物质。

那你可能会好奇，为什么我们身边的物质都是正常物质，而不是反物质呢？简单的答案是：因为反物质即便存在，也会和正常物质发生湮灭，所以消失不见了。但为什么宇宙中剩下的都是正常物质，而不是反物质呢？这个问题就是反物质消失之谜。

但这并不代表反物质不存在。反物质既能自然产生，也能人工制造。

比如说，宇宙射线与大气碰撞、某些原子核发生放射性衰变时，就会产生反粒子。科学家也可以用加速器来制造它们。你可能还听过医院里的 PET 检查，它用到的就是正电子，其实 PET（Positron Emission Tomography）的全称正是正电子发射断层成像。简单说就是通过注入人体的示踪剂释放出正电子，然后正电子会和体内的电子发生湮灭，产生的光子就是用来成像的信号。

不过，虽然我们可以人工制造反粒子，但如果想长时间观察、研究反粒子，该用什么来装它呢？玻璃瓶？金属盒？这些都是由普通物质组成的，反粒子会迅速湮灭。

最近，美国西北大学的研究团队把一粒正电子关在了一个特殊的装置里，一关就是数月。研究于 2026 年 10 月 21 日发表在《物理评论快报》。

简单说，他们的办法是用电场和磁场做了一道看不见的围栏。这个装置叫潘宁阱。潘宁阱的用途很广泛，称量原子的质量、测量电子的磁矩、比较质子与反质子，都用得上它。其要义就是让内容物触碰不到容器壁。

研究团队通过磁场让正电子绕着磁力线转圈，限制它往横向跑远；通过电场（静电力）再把前后两头堵住。这样，正电子就能待在中间的真空里，和容器壁保持距离。而且这次，团队还把装置冷却到 0.3 开尔文，也就是零下 272.85 摄氏度。低温可以减少热扰动，冰冷的表面还能吸附残留的气体，让正电子更少受到碰撞。

不过，物理学家是如何把正电子装进去的呢？实验中的正电子来自于钠-22 的放射性衰变。它们刚产生时速度很快，研究人员先用一片钨让它们减速。其中一部分慢下来的正电子会和电子结合，组成一种叫“电子偶素”的临时搭档。一正一负，整体不带电，这个组合就能避开电势的阻拦，穿过小孔进入陷阱。等到了里面，较强的电场再把它们拆开，电子离开，正电子被留下。

其实，早在 1984 年，科学家就曾连续观察同一粒正电子三个月。那这一次有什么不同呢？这次，研究人员不仅把它留住了，还能看清并控制它的量子态。

在 5.6 特斯拉的磁场里，这粒正电子每秒绕磁力线转约 1560 亿圈。这种运动叫回旋运动，它的能量是量子化的，只能一级一级地变化，就像爬楼梯。最低的一级叫基态，给它合适频率的微波，它就能吸收能量，跳上一级，变成激发态。

处于激发态的正电子还会自发地回到基态，并且释放一个光子。在同样的磁场里，如果没有腔体的帮助，这段时间平均只会持续 83 毫秒。团队利用陷阱电极构成的微波腔来减慢这个过程，把激发态的寿命延长到约 4 秒，方便他们辨认每一次跳变。

正电子还有自旋，可以把它想象成一根“小磁针”。研究人员不光能让它在能量台阶上跳来跳去，也能驱动自旋翻转，让这根“小磁针”换一个朝向。

可是正电子这么小，我们是如何看到这些变化的呢？

正电子会沿磁场方向来回振荡，在电极上感应出微弱的电信号。在特意设计的磁场中，回旋能级每变一级，轴向振荡频率就偏移约 3.8 赫兹，自旋翻转也会留下这样的信号。所以研究人员只需要测出这些变化，就能知道正电子的状态改变了。

这个精心设计的正电子“陷阱”还有一个好处：这种测量不会改变正电子被测的回旋和自旋状态。这叫“量子非破坏测量”，让研究人员可以反复观察同一粒正电子。

那我们费这么大劲儿“囚禁”和观察一粒正电子，是为了什么呢？当然不只是想看看它能待多久。

前面说，电子和正电子的很多性质应该相同。那么，到底能相同到什么程度？科学家想拿来比较的，是它们的自旋磁矩，也就是这两根“小磁针”的磁性各有多强。

这背后涉及一条重要的物理规律：CPT 对称性。C（Charge conjugation）代表电荷共轭，就是把粒子换成反粒子。P（Parity）代表宇称，就是把空间做一次镜像反演，T（Time reversal）代表时间反演，就是把时间倒转。所以 CPT 对称说的就是：如果把一个物理系统中的电荷（C）、空间宇称（P）和时间（T）同时进行反向变换，物理定律依然保持不变。

但 CPT 对称性真的成立吗？虽然 CPT 对称性在物理学家看来是牢不可破的铁律，但 C、P、T 各自都已在一些弱相互作用过程中发现可以被打破，CP 也不例外。CPT  对称性要求粒子和反粒子的质量、寿命、磁矩大小严格相等。因此，一旦我们发现，电子和正电子的磁矩大小真的出现了差别，那就意味着，CPT 对称性也将被打破。

现在，电子磁矩已经可以测到约十万亿分之一的相对精度。研究人员认为，这套装置经过进一步优化，有望让正电子的磁矩测量也达到这个水平，从而把轻子领域的 CPT 检验精度提高到过去的 30 倍以上。但即便如此，对 CPT 对称性的检验也不会就此结束。

如果未来发现这根“小磁针”真的和电子有那么一丁点不同，那这粒被关了几个月的正电子，恐怕就要给物理学出一道大难题了。