CERN实验表明质子和反质子的质量无差异

BASE项目中开发的Penning陷阱图。在CERN，反质子是通过用质子轰击原子核来产生的，然后被制动。他们从左边进入陷阱。进料收集器中存储了几百种抗微粒（紫色）。反质子（红色）在阱中旋转，以便可以测量其荷质比。同时，氢离子（绿色）停在电极上。

有史以来最精确的比较质子和反质子质量的实验表明，粒子之间没有差异，从而确定质子和反质子的质量等于十一个小数位。

我们世界的存在不言而喻。大爆炸在同等程度上创造了物质和反物质。为什么只有物质构成宇宙中的天体，而最终仍然落后，这是日德合作项目BASE的重点，该项目包括海德堡马克斯·普朗克核物理研究所和其他机构的研究人员。在瑞士CERN的实验中，科学家们确定质子和反质子的质量等于十一个小数位。在此过程中，他们创造了新的精度记录，用于测量物质与反物质之间的对称性。基于最新发现，BASE研究人员现在正在通过比较质子和反质子的磁矩来进一步研究宇宙中物质过剩的原因。

粒子物理学家深知，他们的世界观仍然不完善。但是，他们目前无法弥补这些缺陷。虽然粒子物理学的标准模型可以解释所有已知基本粒子的存在以及它们之间的许多相互作用，但有些观察结果根本不符合该理论。例如，标准模型没有解释物质与反物质之间的不对称性：尽管物质和反物质是在宇宙开始时以相等的量产生的，但它们随后在很大程度上相互抵消-每当物质遇到反物质时就会发生这种现象。然而，宇宙中仍然存在着大量的物质。

因此，物理学家希望支持标准模型的理论体系，甚至重新制定标准模型以弥补其缺陷。为此，他们正在寻找薄弱环节的详细实验证据，例如物质与反物质之间的差异。这是BASE项目的目的，是Baryon Antibaryon对称性实验的缩写。重子和反重子是亚原子粒子，像质子和反质子一样，由三个基本粒子组成，即夸克和反夸克。

在寻找物质与反物质之间的微小差异时，BASE研究人员测量了质子与反质子的荷质比。从本质上讲，他们权衡了两个粒子。通过这样做，他们将系统中的物质和反物质的精度比以前提高了四倍。欧洲核子研究组织科学家，BASE项目发言人斯特凡·乌默（Stefan Ulmer）说：“我们发现电荷与质量的比率等于69万亿分之一。”

结果证实了指出物质与反物质之间没有质量差异的理论。如果研究人员发现质量上的差异，那将使标准模型受到质疑，并对更基本的粒子物理学理论产生怀疑。海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长，BASE的合作伙伴之一克劳斯·布劳姆（Klaus Blaum）说：“但是自然总会带来惊喜。”因此，我们必须利用各种可能性来尽可能精确地检查模型。

为了使质子和反质子达到如此高的精确度，研究人员提出了一个聪明的方法：它们在Penning捕集阱中捕获带电粒子，其中粒子被电场和磁场限制。磁场迫使粒子每秒旋转约3000万次。相比之下：露天游乐场的单程旋转需要5到10秒。如果旋转得更快，骑手会很快生病。

旋转频率揭示了电荷与质量的比率

尽管Penning陷阱中带电粒子的速度很快，但研究人员仍能够非常精确地确定转数。由于旋转频率取决于粒子的质荷比，因此这是一种非常精确的确定质荷比的方法。

但是，BASE项目实验中有一个并非所有人都期望的复杂情况。“将电压精确设置到11位小数仍然很困难，”克劳斯·布劳姆（Klaus Blaum）解释说。但这是研究人员必须完成的工作，才能将质子和反质子弹射到Penning阱中。然后，他们必须在阱中产生负电压的电场，才能捕获带正电的质子。相反，他们必须使用正电压-与先前使用的负电压紧密匹配，以使带−负电荷的反质子更强壮。

由于几乎不可能产生两个粒子具有相同或至少确切知道的强度的电场，因此物理学家想出了另一个巧妙的技巧。他们在使用单个电场的实验中测量了质子和反质子。首先，他们将两个电子连接到质子上，从而将其转换为带负电的氢离子。这样，可以使用正电压同时包含质子和带负电荷的反质子。

质子和反质子的磁矩可能不同

“如果我们能够测量质子本身，那就更好了，”克劳斯·布劳姆（Klaus Blaum）说。然而，幸运的是，非常精确地知道了电子的质量及其结合能，因此可以很容易地从氢离子的质荷比确定质子的值及其质量。“通过这种方式，我们进行了世界上最精确的测量，比较了质子和反质子的质量。”

通过他们的实验，研究人员在物质和反物质的比较上达到了一个新的水平。欧洲核子研究中心（CERN）总干事罗尔夫·赫尔（Rolf Heuer）表示：“近年来，有关反物质粒子的研究取得了长足进步。”“ BASE所达到的精确度给我留下了深刻的印象。”

BASE研究人员现在希望利用已获得的技能继续寻找物质与反物质之间的差异。Stefan Ulmer说，测量质子和反质子的磁矩是追踪物质与反物质之间差异的非常有前途的方法。研究人员已经测量了质子的磁矩。现在他们计划确定反质子的相应值。“我们刚刚恢复了测量，” Stefan Ulmer说。科学家希望这种方法将提供有用的证据来解释为什么我们的世界存在。

出版物：S. Ulmer等人，“反质子与质子荷质比的高精度比较”，《自然》 524，196-199（2015年8月13日）； doi：10.1038 / nature14861