[科普中國(guó)]-反粒子

簡(jiǎn)介

基本介紹

在原子核以下層次的物質(zhì)的單獨(dú)形態(tài)以及輕子和光子，統(tǒng)稱粒子。在歷史上，有些粒子曾被稱為基本粒子。

所有的粒子，都有與其質(zhì)量、壽命、自旋、同位旋相同，但電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、奇異數(shù)等量子數(shù)異號(hào)的粒子存在，稱為該種粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子與反粒子是兩種不同的粒子。

一切粒子均有其相應(yīng)的反粒子，如電子e-的反粒子是正電子e+，質(zhì)子p的反粒子是反質(zhì)子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌領(lǐng)導(dǎo)的小 組發(fā)現(xiàn)的反西格碼負(fù)超子是Σ-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如γ光子、π0介子和η介子。一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它們自己。1

發(fā)現(xiàn)過(guò)程反粒子最早是1928年P(guān).A.M.狄拉克理論上預(yù)言正電子而提出的，1932年被C.D.安德森實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)而證實(shí)；1956年美國(guó)物理學(xué)家張伯倫在勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速過(guò)的高能粒子對(duì)相撞，發(fā)現(xiàn)在突然間成對(duì)出現(xiàn)了幾道軌跡，又在短時(shí)間內(nèi)相撞而互相湮滅，這是人們第一次直接觀測(cè)到反粒子。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，狄拉克的空穴理論對(duì)玻色子不適用，因而不能解釋所有的粒子和反粒子。根據(jù)量子場(chǎng)論，粒子被看作是場(chǎng)的激發(fā)態(tài)，而反粒子就是這種激發(fā)態(tài)對(duì)應(yīng)的復(fù)共軛激發(fā)態(tài)。

正反粒子是從場(chǎng)論的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)的，場(chǎng)的激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子，與之對(duì)應(yīng)，場(chǎng)的復(fù)共軛激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為反粒子。當(dāng)γ光子的能量大于某種粒子靜能的兩倍，在一定的條件下就可以產(chǎn)生正反粒子對(duì)；反之，正反粒子相遇可湮滅并產(chǎn)生兩個(gè)光子或 3 個(gè)光子，遵從質(zhì)量-能量守恒和動(dòng)量守恒。

每一種粒子都有一個(gè)和它的質(zhì)量、壽命、自旋嚴(yán)格相等，而電荷卻正好相反的反粒子存在，這是狄拉克在他的正電子預(yù)言中提出來(lái)的。狄拉克方程預(yù)言了一種新的電子——正電子，從而開(kāi)創(chuàng)了反原子、反物質(zhì)、反世界的研究。1932年美國(guó)物理學(xué)家安德森在宇宙線的研究中發(fā)現(xiàn)了正電子，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子。2

實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)如果所有的粒子都有相應(yīng)的反粒子，首先檢驗(yàn)的是應(yīng)該存在質(zhì)子的反粒子、中子的反粒子。1956年美國(guó)物理學(xué)家張伯倫（Owen Cham-berlain）等在加速器的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，即質(zhì)量和質(zhì)子相同，自旋量子數(shù)也是1/2，帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子。接著又發(fā)現(xiàn)了反中子。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，各種粒子都有相應(yīng)的反粒子存在，這個(gè)規(guī)律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱為純中性粒子。光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理學(xué)中，已不再采用狄拉克的空穴理論來(lái)認(rèn)識(shí)正反粒子之間的關(guān)系，而是從正反粒子完全對(duì)稱的場(chǎng)論觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)。

迄今，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾乎所有相對(duì)于強(qiáng)作用來(lái)說(shuō)是比較穩(wěn)定的粒子的反粒子。 如果反粒子按照通常粒子那樣結(jié)合起來(lái)就形成了反原子。由反原子構(gòu)成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。3

反物質(zhì)的捕獲與儲(chǔ)存捕捉反物質(zhì)歐洲核子研究中心的科學(xué)家們?cè)跉W洲當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年11月17日表示，通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，他們已經(jīng)俘獲了少量的“反物質(zhì)”，盡管只是少量的反氫原子而已，但已被科學(xué)界視為人類研究反物質(zhì)過(guò)程中的一次重大突破。

實(shí)際上，早在1995年，歐洲核子研究中心就首次制造出了9個(gè)反氫原子。但反氫原子只要與周圍環(huán)境中的正氫原子相遇就會(huì)湮滅，因此實(shí)驗(yàn)室中造出來(lái)的反氫原子稍縱即逝，科學(xué)家們根本無(wú)從研究它的真面目。這一次的實(shí)驗(yàn)亮點(diǎn)就在于這些反氫原子存在了大約0.17秒。盡管這個(gè)時(shí)間在普通人看來(lái)也許非常短，但對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，已比先前有了實(shí)質(zhì)性的延長(zhǎng)，足夠他們進(jìn)行較為深入的觀察和研究。

歐洲核子研究中心的科研人員于2011年6月5日在英國(guó)《自然·物理》雜志上報(bào)告稱，他們成功地將反氫原子“抓住”長(zhǎng)達(dá)一千秒的時(shí)間，也就是超過(guò)16分鐘?？茖W(xué)家在論文中說(shuō)，他們?cè)谶@一輪研究中，先后用磁場(chǎng)陷阱抓住了112個(gè)反氫原子，時(shí)間從五分之一秒到一千秒不等。

分析還顯示，這次抓住的反氫原子大多數(shù)處于基態(tài)，也就是能量最低、最穩(wěn)定的狀態(tài)。這有可能是人類迄今首次制造出的基態(tài)反物質(zhì)原子。如果能讓反物質(zhì)原子在基態(tài)存在10分鐘到30分鐘，就可以滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的需要。

存儲(chǔ)反物質(zhì)2010年，來(lái)自歐洲核子研究中心(CERN)的研究人員成功地存儲(chǔ)了反物質(zhì)，但維持時(shí)間僅不足1秒。歐洲核子研究中心能夠存儲(chǔ)由氫原子提取的反物質(zhì)，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16分鐘，是此前存儲(chǔ)時(shí)間的5000倍。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然物理學(xué)》雜志上，揭曉歐洲核子研究中心阿爾法實(shí)驗(yàn)建立的一個(gè)“磁瓶”——超導(dǎo)磁鐵，如何懸浮這些反原子遠(yuǎn)離墻壁，以及如何存儲(chǔ)這些反氫原子。在過(guò)去近十年里，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)僅能保持?jǐn)?shù)分鐘的反物質(zhì)，這是由于該物質(zhì)存儲(chǔ)之后便遭到破壞，從而難以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)。

項(xiàng)目研究科學(xué)家藤原誠(chéng)(Makoto Fujiwara)教授說(shuō)：“我們現(xiàn)已證實(shí)能限制性存儲(chǔ)反氫原子至長(zhǎng)1000秒，這與一場(chǎng)曲棍球比賽時(shí)間相差無(wú)幾。這將是反物質(zhì)研究領(lǐng)域一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)?！?

相互區(qū)別虛粒子和反粒子的聯(lián)系和區(qū)別

粒子可以分兩種：組成宇宙中物質(zhì)的自旋為1/2的粒子和在物質(zhì)粒子間引起力的自旋為0，1，2的粒子。而在物質(zhì)間交換的攜帶力的粒子因?yàn)樗麄儾幌駥?shí)粒子那樣可以用粒子探測(cè)器檢測(cè)到，故稱虛粒子。但他們具有可測(cè)量的效應(yīng)。而在量子真空中，其場(chǎng)的值必須有一定的最小的不確定性量或量子起伏，人們可以將這些起伏理解為光或引力的粒子對(duì)，他們?cè)谀骋粫r(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)，互相離開(kāi)，任何又相互靠近而且互相湮滅這些粒子正如同攜帶太陽(yáng)引力的虛粒子。（或者說(shuō)，由于這些粒子瞬時(shí)存在不能被觀測(cè)到，稱之為虛粒子。）至此都可以理解。但下面的說(shuō)法:因?yàn)槟芰坎荒軣o(wú)中生有，所以粒子反粒子對(duì)中的一個(gè)參與者有正的能量，而另一個(gè)有負(fù)的能量。由于通常情況下，“實(shí)粒子”總是具有正能量，所以具有負(fù)能量的那個(gè)粒子注定是短命的“虛粒子”。似乎存在著這樣一條自然規(guī)律：一個(gè)粒子可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)粒子，但是，要是在起先并不存在粒子的情況下產(chǎn)生了 一個(gè)粒子，就必定會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反粒子。這里可以舉一個(gè)例子，一個(gè)中子可以轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子， 由于這是一個(gè)粒子轉(zhuǎn)變成另一個(gè)粒子，似乎是不成問(wèn)題的。 不過(guò)，在這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中還形成了一個(gè)電子。這就等于說(shuō)有 一個(gè)粒子變成了兩個(gè)粒子。為了抵消掉這第二個(gè)粒子，這時(shí) 還形成了一個(gè)非常微小的反粒子，即所謂“反中微子”。這時(shí)，一個(gè)粒子（即中子）變成了另一個(gè)粒子（即質(zhì)子） 加上一個(gè)粒子－反粒子對(duì)（即電子和反中微子）。5