为了解开宇宙中反物质缺失之谜，物理学家们对质子固有磁性的测量达到了有史以来最高的精度。
5月28日，一群研究人员在《自然》杂志上发表文章，宣布他们掌握了一种测量质子磁矩的技术——质子磁矩相当于微观尺度下的条形磁铁的强度——精度达到了十亿分之三。
这些实验是为探究宇宙为何看起来充满了物质而非反物质的一部分努力。反物质就像物质的镜像，除了少数关键属性的翻转外，两者完全相同。当物质和反物质相遇时，两者都会在能量闪光中湮灭。物理学家认为，反物质和物质在大爆炸中应该以相等的量产生；而现在竟然还存在物质，这是一个谜。
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德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学的物理学家、该研究的共同作者安德烈亚斯·莫泽说，质子和反质子的磁矩之间如果存在任何差异，都将揭示一种不对称性，这种不对称性可能在早期宇宙中使天平向物质倾斜。“目前物理学界的共识是，这两个值应该是相等的，”他说。
质子的磁矩源于一种称为自旋的基本量子属性，这种属性使质子的行为像一个微小的条形磁铁，具有北极和南极。当置于外部磁场中时，质子的自旋可以与磁场对齐，也可以翻转以对抗磁场。
研究人员通过观察单个质子在这两种状态之间翻转来计算质子的磁矩。他们将一个质子悬浮在一个阱中，并施加一个磁场，使这个微小的条形磁铁翻转。然后，他们将质子推入第二个具有磁场梯度的阱中，并通过测量其微小的振动来确定其自旋的排列方向。通过来回发送质子于两个阱之间——进行重复的翻转和测量——研究小组能够非常精确地测量磁场诱导翻转的频率，并由此计算出质子的磁矩。
他们的数值比下一个最精确的直接测量结果精确760倍，该测量结果由哈佛大学物理学家杰拉尔德·加布里埃尔斯领导的团队于2012年完成。它比下一个最接近的间接数值精确三倍，该数值是42年前推导出来的。
东京大学物理学家、欧洲核子研究中心（CERN）原子光谱和慢反质子碰撞（ASACUSA）项目的发言人早野龙五表示，这项实验“显然是一项突破”。欧洲核子研究中心是位于瑞士日内瓦附近的粒子物理实验室。但他也表示，这仅仅是个开始。“他们希望能够将相同的方法应用于反质子，并达到类似的精度水平，”他说。
加布里埃尔斯的研究小组已经测量了反质子的磁矩，这是欧洲核子研究中心反氢陷阱（ATRAP）实验的一部分，并且没有发现差异。莫泽和他的团队有可能以更高的精度做到这一点，他们的计划是将实验转移到欧洲核子研究中心的反物质制造设施，作为重子反重子对称性实验（BASE）的一部分。当欧洲核子研究中心的设施，即反质子减速器在今年夏天重新开放时，ATRAP、BASE 和其他三个研究小组将利用它来竞赛，以发现物质和反物质之间微小的差异。
这些实验还将探索物质和反物质之间其他基本属性的差异。这些属性包括反氢和氢的电磁发射光谱及其质量。早野表示，即使发现最微小的差异，也会对一种称为CPT对称性的基本物理理论产生“剧烈”的影响，该理论预测粒子及其反粒子的质量应该相同。
没有人知道实验需要达到多高的精度才能看到自然界打破这种基本对称性——如果它真的会打破的话。“最近的理论认为，这个神圣的定理可能会被违反，但它们并没有预测违反的幅度，”早野说。“所以我们正在尝试寻找许多不同的方法，以尽可能达到最高的精度。”