美国西北大学的物理学家将单个正电子——电子的反粒子——在量子阱中囚禁了数月，逐一观测了该粒子的每一次能量跃迁和每一次自旋翻转。这一成果于 2026 年 10 月 21 日发表在《物理评论快报》上，创造了首个“单正电子量子回旋加速器”，并为迄今最精确的基础物理对称性检验铺平了道路。
没有墙壁的容器
正电子与电子质量相同、电荷相反，但一旦接触普通物质就会消失：粒子与反粒子相互湮灭。因此，由杰拉尔德·加布里尔斯领导、博士生托马斯·迈尔斯为第一作者的团队不得不把反物质关进一个“没有墙壁的容器”：彭宁阱，它利用电场和磁场将粒子悬浮在真空中，不接触任何表面。
为此，研究人员从钠-22 放射性衰变释放的正电子出发，其能量高达 546 千电子伏特——速度接近光速的 88%。粒子在钨晶体中被减速；最慢的幸存者短暂形成了正电子素（由正电子和电子组成的中性原子），穿过一个 625 微米的小孔进入阱内，随后被拆散，只留下正电子被囚禁。用这种方法装载单个粒子需要 8 到 11 小时。
接近绝对零度的低温与单个量子跃迁
装置冷却到约 300 毫开尔文——高于绝对零度 0.3 度——后，正电子的圆周运动（即回旋运动）达到了最低量子态。在这一状态下，团队利用调谐微波脉冲逐一驱动并探测了回旋能级之间的跃迁和粒子自旋的翻转，且没有扰动被测状态。
尚未完成测量的部分
最终目标不仅是囚禁反物质，而是以与电子相当的精度测量正电子的磁矩——即其磁性的强度和方向。电子磁矩目前的测量精度约为 10 万亿分之一。据 APS Physics 发表的分析，新装置可将正电子测量的精度提高约 30 倍。但这一测量尚未完成：论文展示的是囚禁装置和对粒子的量子控制，而非比较的结果。
如果电子与正电子的磁矩出现差异，将暗示标准模型之外的新物理；如果二者一致，对 CPT 对称性（即交换粒子与反粒子、镜像宇宙并逆转时间时物理定律不变的思想）的检验将更加严格。该实验也有助于解释：尽管大爆炸原则上应等量产生物质与反物质，可观测宇宙为何由物质主导。
图片来源：迈尔斯等人论文中的插图，发表于《物理评论快报》（2026 年），由 Phys.org 转载。
来源： Phys.org — “One-positron cyclotron” could test a key prediction of the Standard Model; APS Physics — A Quantum Cyclotron for Antimatter; Scientific American — Physicists trap a single antimatter particle for a month; Physical Review Letters — One-positron quantum cyclotron (DOI: 10.1103/gbkc-6nlj); arXiv:2605.08147
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