歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家首次分析了一個(gè)被隔離在被稱為量子疊加態(tài)的“未定狀態(tài)”中的反物質(zhì)粒子。

雖然普通物質(zhì)的量子行為已被廣泛研究，甚至以量子位（qubit）的形式用作量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，但此次突破遠(yuǎn)超技術(shù)應(yīng)用范疇，可能有助于物理學(xué)家理解為何我們今天能夠存在。

研究團(tuán)隊(duì)將一個(gè)反質(zhì)子（質(zhì)子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物）懸浮在電磁阱系統(tǒng)中，并抑制了環(huán)境干擾，以免破壞粒子脆弱的量子態(tài)。

當(dāng)該粒子處于被稱為“自旋”屬性的未定模糊狀態(tài)時(shí)，研究人員小心地使其振蕩，并在長(zhǎng)達(dá)50秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了測(cè)量。

“這代表了第一個(gè)反物質(zhì)量子位，”CERN的BASE合作項(xiàng)目物理學(xué)家斯特凡·烏爾默（Stefan Ulmer）說(shuō)，“最重要的是，它將幫助BASE在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中以10到100倍的精度提升進(jìn)行反質(zhì)子磁矩測(cè)量?！?/p>

這些未來(lái)的實(shí)驗(yàn)可能有助于揭示物質(zhì)與反物質(zhì)之間更多的差異，進(jìn)而回答一個(gè)根本性問(wèn)題：我們是如何在數(shù)十億年前本應(yīng)湮滅所有物質(zhì)的反物質(zhì)大災(zāi)難中幸存下來(lái)的？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，理論上物質(zhì)和反物質(zhì)之間應(yīng)該沒(méi)有區(qū)別，除了粒子的電荷與其對(duì)應(yīng)粒子相反。然而，如果真是這樣，宇宙大爆炸應(yīng)該創(chuàng)造了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們本應(yīng)迅速相互湮滅，使宇宙如今變得空空如也。

我們能夠在這里思考這個(gè)事實(shí)表明，物理學(xué)必定在某個(gè)其他方面也對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)區(qū)別對(duì)待。各種實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始揭示這種不對(duì)稱性的線索，但迄今為止發(fā)現(xiàn)的差異程度仍無(wú)法解釋這種不平衡現(xiàn)象。

CERN的BASE實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)比較質(zhì)子和反質(zhì)子在相似條件下其自旋狀態(tài)的行為，來(lái)尋找它們之間的這種不平衡。自旋是亞原子粒子的內(nèi)在屬性，使其表現(xiàn)得像微小的磁鐵。

BASE之前的實(shí)驗(yàn)已將反質(zhì)子的磁矩測(cè)量精度提升至十億分之1.5。但令人沮喪的是，即使在這個(gè)精度水平上，它仍然與普通質(zhì)子的磁矩一致。

部分問(wèn)題在于量子態(tài)對(duì)其周?chē)h(huán)境的干擾非常敏感，因此很難將反質(zhì)子保持在疊加態(tài)足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)深入研究其特性。

BASE現(xiàn)已進(jìn)行了一系列升級(jí)以抑制背景噪聲，隔離粒子，并使粒子能夠在量子模糊狀態(tài)下振蕩長(zhǎng)達(dá)創(chuàng)紀(jì)錄的50秒。

而且這一時(shí)間可能很快會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。通常，反物質(zhì)無(wú)法遠(yuǎn)離其產(chǎn)生地點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng) —— 畢竟，一旦接觸由普通物質(zhì)制成的容器，它就會(huì)立即湮滅消失。

CERN一直在測(cè)試一種名為BASE-STEP的新型反物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)最終可能允許將這種奇特物質(zhì)運(yùn)送到能夠抑制甚至消除背景噪聲的專(zhuān)門(mén)設(shè)施中。

正是在這些超安靜的環(huán)境中，我們或許最終能傾聽(tīng)到物理學(xué)最深?yuàn)W問(wèn)題之一的細(xì)微答案。

“一旦我們的新型離線精密彭寧阱系統(tǒng)完全投入運(yùn)行，并由BASE-STEP輸送反質(zhì)子，我們可能獲得比當(dāng)前實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)十倍甚至更多的自旋相干時(shí)間，這將對(duì)重子反物質(zhì)研究產(chǎn)生革命性影響，”CERN物理學(xué)家芭芭拉·拉塔茨（Barbara Latacz）說(shuō)。

該研究已發(fā)表于《自然》期刊。

如果朋友們喜歡，敬請(qǐng)關(guān)注“知新了了”！