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我国科学家成功利用超强超短激光获得“反物质”

科普中国2016-03-13 23:03我要吐槽

  光明日报北京3月12日电记者杨舒从中国科学院上海光学精密机械研究所获悉,该所强场激光物理国家重点实验室近日在国内首次成功利用超强超短激光产生一种反物质——超快正电子源,这一发现未来将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断技术研发等领域得到重大应用。相关研究成果已于近日发表在国际学术期刊《等离子体物理》上。

  “反物质”这一物理学概念由英国科学家狄拉克于1928年根据推测得出,1933年他因此获得诺贝尔物理学奖。物理学家认为,我们周围环境中的物质是正物质,它由原子组成,原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。然而,每一种粒子都有一个与之相对的“反粒子”,由带负电的反质子和带正电的正电子组成的物质就是反物质。反物质研究在高能物理、宇宙演化等方面属于理论前沿,同时也具有重要应用价值,比如,正电子断层扫描成像PET-CT在癌症诊断等方面已在国内广泛应用。

  理论认为,反物质只要和正物质相遇就会湮灭,因此难以产生和保存,目前科学家很难在宇宙中找到反物质,转而在实验室的极端条件下尝试获取,这也成为物理学领域的热点和难点。1932年,由美国物理学家卡尔·安德森通过对宇宙射线的磁场偏转和轰击在实验中证实了电子的反粒子,即正电子的存在。随后,科学家们又发现了负质子和反中子等多种反物质。为了获得更高质量的正电子源,长期以来,中外科学家们一直在探索“利用激光产生反物质”的有效方法,为了利用激光获得反物质——超快正电子源,上海光机所经历了长达15年的持续研究。

  强场激光物理国家重点实验室研究员沈百飞介绍,此次反物质的获得经历了一个相对复杂的过程和优化:首先将飞秒拍瓦激光装置与高压气体靶进行相互作用,产生大量高能电子;高能电子再和高原子序数材料靶(如铜、金)相互作用,产生高强度伽马射线;伽马射线再和高原子序数原子核作用产生正负电子对。

  “正电子谱仪”是获得反物质的“功臣”。沈百飞表示,经过特殊设计的正电子谱仪,成功解决了伽马射线带来的噪声问题,利用正负电子在磁场中的不同偏转特性,最终成功观测到了正电子。

  据了解,获得反物质超快正电子源将对激光驱动正负电子对撞机等具有重要意义。未来,在高能物理、材料无损探测、癌症诊断技术研发领域有应用前景,由于其脉宽只有飞秒量级,可使探测的时间分辨大大提高,有望获得更高分辨率的正电子成像,进而研究物质性质的超快演化。

作者:科普中国责任编辑:天极科普君)
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