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我国科学家成功获得的“反物质”是什么?

科普中国2016-03-12 23:02我要吐槽

我国科学家成功获得的“反物质”是什么?

  近日,中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室利用超强超短激光,成功产生反物质——超快正电子源,这一发现将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断等领域具有重大应用。说到反物质,很多人好奇什么是反物质?反物质从哪来?存在反物质世界吗?科普中国头条推送项目特邀专家沈英甲,帮你一一解读:

  什么是反物质?

  每一种粒子都有一个与之相对的“反粒子”。1929年,英国青年物理学家迪拉克从理论上证实了电子的反粒子,即正电子的存在。这种正电子除了电性和电子相反外,一切性质和电子相同。1932年,美国物理学家安德逊在实验室中发现了迪拉克所预言的正电子。1955年,美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子。此后人们逐渐认识到,不仅质子和电子,所有的微观粒子都有各自的反粒子。

  当反粒子和粒子在高能下碰撞而湮灭抵销时,就可以放出能量,能量可以通过E=mc2质能公式大致计算。而这种能量的释放率远远高于核弹、氢弹,大概几克就相当于一枚战略核弹。

  反物质从哪来?

  在宇宙空间中,“宇宙线”的粒子流在纵横疾飞,也有宇宙线倾泻在地球上。宇宙线几乎全是氢原子核,以及质子、氦原子核、电子等。我们地球所在银河系内大恒星演化到最终引发的超新星爆炸的残骸,使宇宙空间的粒子流被加速。宇宙线与地球大气发生碰撞后,构成宇宙线的粒子摇身一变成为其他粒子。能量较低的宇宙线被地球磁场弯曲,不会到达地球赤道附近,而是倾注到地球高纬度地区。要研究初始的宇宙线,必须在地磁极所在的高纬度地区,几乎不存在大气的平流层之上进行观测。

  了解反物质,先来了解反质子是什么

  自然界的各种物体,以微观的角度来说,基本上都是由质子、中子、电子所组成的,这些粒子被称为基本粒子,是世界构建的基础。之前人们发现的微观粒子中,质子带的是正电,电子带的是负电。反质子是反粒子的一种。反粒子与我们所熟知的粒子有着怎样的不同呢?我们身边的物质由原子组成,原子又由电子和原子核组成,原子核又由质子和中子组成。质子和中子则各由三个被称为“夸克”的粒子组成。夸克和电子同属构成物质的最基本单位———基本粒子。不过现在有越来越多的科学家认为,物质结构在不同的能量制度上有不同的层次,最终的层次很可能不存在,所以“基本粒子”的提法未必正确。

  加速器是将粒子加速至高能状态使其碰撞,以深入研究微观世界的装置。高能粒子碰撞会导致产生新的粒子,同时产生对应的反粒子。比如质子带正电荷,电子具负电荷;反电子(正电子)带正电荷。由反粒子组成的物质为“反物质”。氢原子是由一个质子和一个电子组成的,而反氢原子则是由一个反质子和一个正电子组成。

  自然界的物质都是由粒子构成,这个事实表明,至少在我们的银河系以及邻近的宇宙天体也都是由粒子构成。粒子与反粒子理应成对存在,然而在我们的宇宙中为什么不存在反粒子呢? 要解开这个谜,不可避免地回溯至宇宙诞生的时刻。

  宇宙诞生与反粒子之谜

  在现代宇宙理论中, 宇宙是从“虚无”状态诞生的,随即经历了急速膨胀, 形成一个超高温的火球———“大爆炸宇宙”。大爆炸宇宙充满极高能量。在这种高能状态下,可能产生了大量大质量粒子, 此后随着宇宙的膨胀, 在温度下降的过程中,这类大质量粒子崩解成为质量较小的粒子, 在这时候生成了粒子和反粒子。

  如果这时粒子与反粒子生产的数量相同,那么随着宇宙空间温度下降,粒子和反粒子就会相遇并湮没,同时释放出X射线,介子和光,以及极大的能量。情况果真如此,最终宇宙中就不会存在粒子和反粒子,银河系和地球当然也就不会存在了。然而,当这类质量相当大的粒子崩解时, 极微弱的粒子与反粒子的平衡会被打破,比如从比例上来说,对应1 亿个反粒子,生成的粒子数是1 亿个加1个,很快,1亿个粒子与1亿个反粒子相遇湮没,留下1个粒子,于是剩余的粒子聚集成为物质,进而形成了充满宇宙的星系和各种天体。科学家认为,这微不足道的粒子与反粒子数量上的区别,导致了大质量粒子崩解时被称为“CP对称性破缺”的基本粒子现象。

  存在反物质世界吗

  上面谈到的“CP 对称性破缺”在整个宇宙中都是毫无二致的, 可以认为,整个宇宙都是由粒子构成的。不过,如果这种“CP 对称性破缺”只发生在宇宙的局部, 那么宇宙的某个空间里就有可能生成大量的反粒子, 这样一来由反粒子构成的星系和种种天体,也就是说反物质世界不就产生了吗? 我们不妨想象:宇宙某个范围是物质世界, 另一个范围是反物质世界,而我们人类只是偶然居住在物质世界里……

  如果反物质世界距我们并不遥远,那里生成的反质子和反氦原子核就会以宇宙线的形式, 往来于星河系,其中极微量的反粒子也许会来到地球。反氦原子核是物质世界中的粒子在碰撞等过程中不能生成的, 如果我们从宇宙线中发现了反氦原子核,那么我们就算拿到了反物质世界存在的证据。然而科学家在对宇宙线的观测过程中,发现了氦原子核300万个,而反氦原子核却一个也没有找到。这至少提供了直接证据,说明我们的银河系及其周围的宇宙空间只是由粒子构成的。

  如果反物质世界在我们的近旁不存在的话, 那么科学家观测到反质子又来自何方呢? 科学家倾向于认为,反质子是宇宙中若干基本粒子发生反应的产物, 如果情况确实如此, 由于科学家从宇宙线中仅检测到极稀少的反质子,那倒可以认为为探索发生在宇宙空间的, 令人感兴趣的基本粒子反应创造了契机。

  通过碰撞制造反质子

  在宇宙间往来飞迸的质子等高能宇宙线,与以星际气体存在的氢原子核,也就是质子碰撞,就会生成极少的质子和反质子对———这是科学家首先想到的宇宙中的基本粒子反应。在这种碰撞中产生的反质子的能量分布,理论上是能预测的,高能量具有特征峰值。科学家的观测数据显示出与这种预测大致相似的能量分布。被观测到的多数反质子,都是质子彼此碰撞产生的。不过在能量的最低端的反质子数,看起来比目前预测的要多,有必要对理论进行修正,科学家猜测,反质子或许还有别的来源。就像反质子产生这样,其他基本粒子反应又如何呢?

  反质子来自暗物质吗

  宇宙中充满了用光和电磁波无法观测到的"暗物质",暗物质的全部质量估计有可见物质全部质量的几十倍。暗物质究竟为何物,目前仍不清楚,不过关于基本粒子的“超对称论”所预言的超对称性粒子,有可能被认为定为暗物质。

  如果超对称粒子就是暗物质的话, 它们就会在银河系内以0.01倍的光速往来奔突, 这种超对称粒子彼此碰撞,就有可能产生极微量的质子的同时,产生反质子。但是科学家还不能根据反质子的数据, 对如此产生的反质子的能量分布给出圆满的解释。

  这次中国科学院上海光机所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,进而研究物质性质的超快演化。

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作者:科普中国责任编辑:天极科普君)
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