為了解開宇宙中反物質缺失之謎，物理學家們對質子固有磁性的測量達到了有史以來最高的精度。
5月28日，一群研究人員在《自然》雜誌上發表文章，宣佈他們掌握了一種測量質子磁矩的技術——質子磁矩相當於微觀尺度下的條形磁鐵的強度——精度達到了十億分之三。
這些實驗是為探究宇宙為何看起來充滿了物質而非反物質的一部分努力。反物質就像物質的映象，除了少數關鍵屬性的翻轉外，兩者完全相同。當物質和反物質相遇時，兩者都會在能量閃光中湮滅。物理學家認為，反物質和物質在大爆炸中應該以相等的量產生；而現在竟然還存在物質，這是一個謎。
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德國美因茨約翰內斯·古騰堡大學的物理學家、該研究的共同作者安德烈亞斯·莫澤說，質子和反質子的磁矩之間如果存在任何差異，都將揭示一種不對稱性，這種不對稱性可能在早期宇宙中使天平向物質傾斜。“目前物理學界的共識是，這兩個值應該是相等的，”他說。
質子的磁矩源於一種稱為自旋的基本量子屬性，這種屬性使質子的行為像一個微小的條形磁鐵，具有北極和南極。當置於外部磁場中時，質子的自旋可以與磁場對齊，也可以翻轉以對抗磁場。
研究人員透過觀察單個質子在這兩種狀態之間翻轉來計算質子的磁矩。他們將一個質子懸浮在一個阱中，並施加一個磁場，使這個微小的條形磁鐵翻轉。然後，他們將質子推入第二個具有磁場梯度的阱中，並透過測量其微小的振動來確定其自旋的排列方向。透過來回傳送質子於兩個阱之間——進行重複的翻轉和測量——研究小組能夠非常精確地測量磁場誘導翻轉的頻率，並由此計算出質子的磁矩。
他們的數值比下一個最精確的直接測量結果精確760倍，該測量結果由哈佛大學物理學家傑拉爾德·加布裡埃爾斯領導的團隊於2012年完成。它比下一個最接近的間接數值精確三倍，該數值是42年前推匯出來的。
東京大學物理學家、歐洲核子研究中心（CERN）原子光譜和慢反質子碰撞（ASACUSA）專案的發言人早野龍五表示，這項實驗“顯然是一項突破”。歐洲核子研究中心是位於瑞士日內瓦附近的粒子物理實驗室。但他也表示，這僅僅是個開始。“他們希望能夠將相同的方法應用於反質子，並達到類似的精度水平，”他說。
加布裡埃爾斯的研究小組已經測量了反質子的磁矩，這是歐洲核子研究中心反氫陷阱（ATRAP）實驗的一部分，並且沒有發現差異。莫澤和他的團隊有可能以更高的精度做到這一點，他們的計劃是將實驗轉移到歐洲核子研究中心的反物質製造設施，作為重子反重子對稱性實驗（BASE）的一部分。當歐洲核子研究中心的設施，即反質子減速器在今年夏天重新開放時，ATRAP、BASE 和其他三個研究小組將利用它來競賽，以發現物質和反物質之間微小的差異。
這些實驗還將探索物質和反物質之間其他基本屬性的差異。這些屬性包括反氫和氫的電磁發射光譜及其質量。早野表示，即使發現最微小的差異，也會對一種稱為CPT對稱性的基本物理理論產生“劇烈”的影響，該理論預測粒子及其反粒子的質量應該相同。
沒有人知道實驗需要達到多高的精度才能看到自然界打破這種基本對稱性——如果它真的會打破的話。“最近的理論認為，這個神聖的定理可能會被違反，但它們並沒有預測違反的幅度，”早野說。“所以我們正在嘗試尋找許多不同的方法，以儘可能達到最高的精度。”