宇宙之谜：科学家捕获反物质（而世界并未毁灭）几个月来，一种基本粒子一直被“囚禁”在实验装置中：美国的一个研究团队首次成功地将正电子（电子的反粒子）长时间地囚禁起来，并对其进行了可控的操控。科学家们在专业期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上写道，这或许意味着我们终于可以开始探索电子与正电子之间的本质差异了。
Kosmisches Rätsel Forscher fangen Antimaterie ein (und die Welt ist gar nicht untergegangen) Seit Monaten sitzt ein Elementarteilchen in der Falle: Einem Forschungsteam in den USA ist es erstmals gelungen, ein Positron – das Antiteilchen des Elektrons – über einen langen Zeitraum einzusperren und kontrolliert zu manipulieren. Damit sei es wahrscheinlich endlich möglich, nach Unterschieden zwischen Elektronen und Positronen zu suchen, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt »Physical Review Letters«.
研究人员希望借此揭开物理学中最大的谜团之一：因为根据现有的理论，宇宙本身可能根本就不应该存在。
Die Forscher hoffen, dass sie so eines der größten Rätsel der Physik knacken können: Denn nach den gängigen Theorien dürfte es das Universum gar nicht geben.
理论模型中的漏洞在哪里？宇宙中的所有物质都是由微小的粒子构成的。原子的核心由质子和中子组成，而这些质子和中子又是由夸克构成的。原子核外围环绕着一层电子。所谓的“标准模型”精确地描述了这些粒子之间的相互作用机制——迄今为止，任何实验都未能发现该模型与实际情况存在任何偏差。
Wo ist die Lücke im Modell?
“但我们知道，标准模型必定存在错误，或者至少是不完整的，”美国西北大学的杰拉尔德·加布里埃尔塞（Gerald Gabrielse）解释道。“例如，标准模型无法解释宇宙为何会存在。而这确实是一个巨大的理论漏洞。”因为在标准模型中，每个粒子都对应着一个反粒子；当这两个粒子过于接近时，它们会相互湮灭，产生强烈的辐射。科学家将这种现象称为“湮灭”（annihilation）。
Alle Materie im Kosmos besteht aus winzigen Teilchen. Atome besitzen im Zentrum einen Kern aus Protonen und Neutronen, die sich ihrerseits wieder aus Quarks zusammensetzen. Eingehüllt ist der Atomkern in eine Wolke aus Elektronen. Das sogenannte »Standardmodell« beschreibt, wie die einzelnen Teilchen zusammenwirken. Und zwar überaus erfolgreich: Bislang ist es mit keinem Experiment gelungen, eine Abweichung vom Standardmodell aufzuspüren.
“大谜题在于，大爆炸本应产生等量的粒子和反粒子，”加布里埃尔塞继续说道。但那样的话，粒子和反粒子就会完全相互湮灭。“什么也不会剩下。显然这理论有问题，而这正是我们试图弄清的。”
»Aber wir wissen, dass das Standardmodell irgendwo falsch sein muss – oder zumindest unvollständig«, erläutert Gerald Gabrielse von der Northwestern University in den USA. »Es kann beispielsweise nicht erklären, warum das Universum existiert. Und das ist eine ziemlich große Lücke.« Im Standardmodell nämlich gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen. Kommen die beiden sich zu nahe, vernichten sie sich gegenseitig in einem Strahlungsblitz – die Forscher sprechen von »Annihilation«.
真空阱里的“规矩课” 在自然界中，正电子产生于放射性衰变。但它们存活不了多久，因为很快就会在周围物质中撞上电子，在一道辐射闪光中消失。因此，加布里埃尔塞和同事们将正电子引导进真空，再利用磁场和电场将其减速。最终，他们借此成功将一个单独的正电子捕获在真空阱中，并使其近乎静止。
»Das große Rätsel ist, dass der Urknall eigentlich gleiche Mengen an Teilchen und Antiteilchen hätte erzeugen müssen«, so Gabrielse weiter. Doch dann würden sich Teilchen und Antiteilchen vollständig gegenseitig vernichten. »Es bliebe nichts übrig. Offensichtlich stimmt etwas mit dieser Theorie nicht, und genau das versuchen wir herauszufinden.« Benimmkurs in der Vakuumfalle In der Natur entstehen Positronen beim radioaktiven Zerfall. Doch sie überleben nicht lange, da sie in der umgebenden Materie schnell auf Elektronen stoßen und in einem Strahlungsblitz verschwinden. Gabrielse und seine Kollegen haben Positronen deshalb in ein Vakuum gelenkt und bremsten sie dann mit magnetischen und elektrischen Feldern ab. Schließlich gelang es ihnen auf diese Weise, ein einzelnes Positron in einer Vakuumfalle einzufangen und nahezu zum Stillstand zu bringen.
“我们确实让最初速度极快的正电子安静地待了几个月，表现得很乖，”加布里埃尔塞说。乖到研究人员可以用这个单独的正电子做实验。
»Wir haben das zunächst sehr schnelle Positron tatsächlich dazu gebracht, monatelang ruhig zu verharren und sich ordentlich zu benehmen«, sagt Gabrielse. So ordentlich, dass die Forscher mit dem einzelnen Positron experimentieren konnten.
研究人员杰拉尔德·加布里埃尔塞 与绕恒星运行的行星不同，正电子在磁场中不能运行任意圆轨道。它起初处于“基态”，即其运动能量具有量子物理定律允许的最低可能值。借助微波，研究小组成功将正电子激发到“激发态”，即能量更高的圆轨道。在此过程中，正电子的表现完全符合预期，表现得就像一个电子。
Forscher Gerald Gabrielse Im Gegensatz etwa zu Planeten, die einen Stern umkreisen, kann ein Positron im Magnetfeld keine beliebige Kreisbahn ausführen. Es nimmt zunächst einen »Grundzustand« ein, in dem seine Bewegungsenergie den niedrigsten, nach den Gesetzen der Quantenphysik möglichen Wert besitzt. Mithilfe von Mikrowellen gelang es dem Team, das Positron in »angeregte« Zustände zu überführen, also auf energiereichere Kreisbahnen. Das Positron verhielt sich dabei erwartungsgemäß genau wie ein Elektron.
期待惊人发现 加布里埃尔塞和同事们下一步计划测量正电子产生的磁场。根据物理学定律，运动的电荷会产生磁场。由于正电子——就像电子一样——在自旋，它们也拥有“磁矩”。电子的磁矩目前已以高达 1 比 10 万亿的惊人精度测得。
Hoffen auf einen Sensationsfund Im nächsten Schritt wollen Gabrielse und seine Kollegen jetzt das vom Positron erzeugte Magnetfeld messen. Eine bewegte elektrische Ladung erzeugt nach den Gesetzen der Physik ein Magnetfeld. Und da sich Positronen – genau wie Elektronen – drehen, haben sie auch ein »magnetisches Moment«. Das magnetische Moment des Elektrons ist inzwischen mit der immensen Genauigkeit von 1 zu 10 Billionen bekannt.
研究人员现在希望对正电子进行同样精确的测量——并期望能发现哪怕极微小的差异。“标准模型预测这两次测量不会有任何差异，”加布里埃尔塞说。“但如果它们被证明不相等，那将是过去一百年来物理学界最大的发现。”
Eine solch genaue Messung wollen die Forscher nun auch am Positron durchführen – und hoffen darauf, hier auf einen, wenn auch winzigen, Unterschied zum Elektron zu stoßen. »Das Standardmodell geht davon aus, dass es keinen Unterschied zwischen den beiden Messungen geben wird«, so Gabrielse. »Sollten sie sich jedoch als ungleich erweisen, wäre das die größte Entdeckung in der Physik der letzten hundert Jahre.«