1、反物質(zhì)合成和結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展-工業(yè)設(shè)計(jì)            摘    要    本文總結(jié)了現(xiàn)今世界反物質(zhì)研究進(jìn)展，提出了反物質(zhì)研究的幾個(gè)重要問題，從反物質(zhì)結(jié)構(gòu)上分析以后研究方向。 關(guān) 鍵 詞    反物質(zhì)    合成    結(jié)構(gòu)    反質(zhì)子

2、    誘導(dǎo) 眾所周知，人類現(xiàn)在正面臨全面的能源危機(jī)。讓我們看一看世界能源大會(huì)1995年版能源資源調(diào)查中關(guān)于1993年世界能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：1煤炭：世界名國(guó)煤炭探明可采儲(chǔ)量：煙煤、無(wú)煙煤519.4Gt，次煙煤197.1Gt，褐煤315.Gt，合計(jì)1031.6Gt。1993年年產(chǎn)量煙煤、無(wú)煙煤3.169Gt，次煙煤0.374Gt，褐煤0.931Gt，合計(jì)4.474Gt。儲(chǔ)采比230年。2石油：世界各國(guó)石油探明可采儲(chǔ)量：原油138.3Gt，天燃?xì)庖?.4Gt，合計(jì)140.7Gt。1993年年產(chǎn)量3.197Gt，儲(chǔ)采比44年。3天然氣：世界各國(guó)天然氣探明可采儲(chǔ)量1

3、4.1Tm3，1993年年產(chǎn)量0.2485Tm3，儲(chǔ)采比57年。4核能：世界各國(guó)鈾礦探明儲(chǔ)量3.67Mt，1993年年產(chǎn)量32171t。儲(chǔ)采比114年。1同時(shí)人類也在大力開發(fā)可再生能源如：太陽(yáng)能、核聚變能等。但我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，所有這些能量都可以用一個(gè)具體的數(shù)字來(lái)衡量，即它終究會(huì)耗盡，那么有沒有真正的無(wú)窮能量呢？答案是肯定的，根據(jù)愛因思坦質(zhì)能方程E=mc2,正反物質(zhì)湮滅時(shí)將產(chǎn)生巨大的能量，且宇宙物質(zhì)無(wú)法用數(shù)字來(lái)衡量。 反 物 質(zhì) 顧名思義，反物質(zhì)就是普通物質(zhì)的反狀態(tài)。物質(zhì)由分子和原子組成，原子由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成，如果帶正電的電子和帶負(fù)電的原子核組成原子就是反原子，由反原子就可組成

4、反物質(zhì)。反物質(zhì)研究始于20世紀(jì)40年代后期，但進(jìn)展極為緩慢。1995年錢姆伯林（Chamberbin）用加速器將質(zhì)子加速到6Gev去轟擊銅靶，生成物（介子）與質(zhì)子比例為500001。2為進(jìn)一步探索反物質(zhì)之謎，科學(xué)家在實(shí)踐上采取了兩種途徑，一是在自然界中尋找反物質(zhì)，二是在實(shí)驗(yàn)室中制造反物質(zhì)。1997年4月，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校等五個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家宣布，通過觀測(cè)到在銀河系上方約3500光年處高于可見光強(qiáng)25萬(wàn)倍的伽馬射線間接證明了反物質(zhì)源的存在。由于受大氣干擾，地面上很難“捕捉”到反物質(zhì)，因此科學(xué)家們把目光投向太空。為在太空尋找到反物質(zhì)，1998年6月，美國(guó)“發(fā)

5、現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)帶著由中國(guó)科學(xué)家制造的當(dāng)代最先進(jìn)的粒子物理傳感儀：阿爾法磁碰議發(fā)射升空。2002年，它被送上國(guó)際空間站，進(jìn)行更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)室制造反物質(zhì)進(jìn)展較快，1995年歐洲核子研究中心（The European Organization for Nuclear Research ，簡(jiǎn)稱CERN）的科學(xué)家們利用加速器將速度極高的反質(zhì)子射流射向氚原子核產(chǎn)生正電子，正電子與反質(zhì)子結(jié)合形成一個(gè)反氫原子，在15小時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，共觀測(cè)到9個(gè)反氫原子。但由于反氫原子處于正物質(zhì)包圍中，經(jīng)歷一億分之三秒（3×10-8秒）后正、反物質(zhì)發(fā)生湮滅。1996年美國(guó)費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室成功制造了7個(gè)反氫

6、原子。2000年9月18日歐洲核子研究中心在世界9個(gè)研究所，39名科學(xué)家的通力合作下宣布已成功制造出約5萬(wàn)個(gè)低能態(tài)的反氫原子，這是人類首次在受控條件下大批量制造反物質(zhì)，是反物質(zhì)研究的“一個(gè)重要里程碑”。 反物質(zhì)原子合成2000年8月10日，歐洲核子研究中心宣布投入使用“反質(zhì)子減速器”，科學(xué)家們從而更容易地制造出大量反物質(zhì)原子。反質(zhì)子減速器是一個(gè)圓形混凝土盒，周長(zhǎng)188m，耗資1150萬(wàn)美元。它利用磁場(chǎng)將高能反質(zhì)子和正電子冷卻、減速和聚積，最終在電磁場(chǎng)束縛下形成大量反氫原子，這些“冷”反氫原子溫度僅比絕對(duì)零度略高幾度，為以后研究其特性提供可能。由上述我們可以看出，要制造出大量反氫原子并進(jìn)行研究必

7、須解決三個(gè)最重要的問題，一、反質(zhì)子、正電子的大量制備。二、反質(zhì)子、正電子的減速冷卻。三、反物質(zhì)存儲(chǔ)問題。第一個(gè)問題：反質(zhì)子的電荷、磁矩與質(zhì)子反號(hào)，質(zhì)量、壽命、自旋與質(zhì)子相同，記為P?，F(xiàn)在科學(xué)家們一般用速度接近光速的核子轟擊靶核生成反質(zhì)子。正電子由速度極高的反質(zhì)子轟擊氚核而產(chǎn)生，其反應(yīng)截面相對(duì)較高，由此，正電子問題可轉(zhuǎn)化為上面反質(zhì)子的制備問題。第二個(gè)問題：反質(zhì)子和正電子的“冷卻”。在正物質(zhì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)條件下，只有將反質(zhì)子和正電子的速度降下來(lái)，才能獲得較大的反應(yīng)截面，在其發(fā)生湮滅前形成反氫原子。反質(zhì)子減速器通過與粒子流平行的強(qiáng)大磁場(chǎng)將粒子流束縛在一個(gè)較小區(qū)域，并用反向電場(chǎng)對(duì)反質(zhì)子進(jìn)行減速、探測(cè)、分離

8、。正電子也可用這種方法進(jìn)行“冷卻”。第三個(gè)問題：歐洲核子研究中心的科學(xué)家杰拉爾德·加夫列爾瑟領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科研小組將反質(zhì)子和正電子匯合在被稱為“粒子陷阱”的結(jié)構(gòu)中。由于等離子體可以保存在個(gè)有適當(dāng)電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的“陷阱”中，并在德拜屏蔽長(zhǎng)度d（0.0240.0024mm）限制下處于穩(wěn)定狀態(tài)。3    只不過要想存儲(chǔ)更多的反物質(zhì)，還要對(duì)“陷阱”作更進(jìn)一步的研究。為什么人們要合成反氫原子而不是直接利用反質(zhì)子進(jìn)行正反物質(zhì)湮滅呢？因?yàn)樵痈呌诜€(wěn)定，有利于更深入地研究、存儲(chǔ)及利用。反氫原子是構(gòu)成所有反物質(zhì)的基本粒子，在獲得能量方面人們不用去合成更復(fù)雜的反物質(zhì)，只

9、要能夠大批量地生產(chǎn)反氫原子，使其與氫原子湮滅則將獲得無(wú)究的能量。目前，人類還不能得到反物質(zhì)能量節(jié)余，其本質(zhì)原因是只實(shí)現(xiàn)了能量到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，如果實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，人類將會(huì)得到副余能量。我們由此想到了物質(zhì)與反物質(zhì)的差別即反物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，從而最終實(shí)現(xiàn)物質(zhì)到反物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)變。 反物質(zhì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)2000年10月29日，在歐洲核子研究中心，由哈佛大學(xué)加布里埃爾斯教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組宣布首次成功研究了反物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理特性。他們通過反質(zhì)子減速器制備出“冷”反氫原子，并用強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行“撒裂”，通過測(cè)量拆散反氫原子所需電場(chǎng)的大小就可以知道反氫原子內(nèi)部反質(zhì)子和正電之間結(jié)合的緊密程度，從而首見“瞥見”

10、反氫原子內(nèi)部狀態(tài)?？茖W(xué)家們一直認(rèn)為在宇宙之初形成了等量的正物質(zhì)和反物質(zhì)，但今天我們的世界由正物質(zhì)構(gòu)成，這說(shuō)明正、反物質(zhì)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理特性上存在差異，如果能找到這種差異則對(duì)于我們合成反物質(zhì)和解釋宇宙發(fā)展過程有著極為重大的作用。那么正、反物質(zhì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)上是否真的一樣呢？讓我們先了解一下基本粒子。 基本粒子種類、數(shù)目如下表： 輕子 輕子重子合計(jì)已經(jīng)確認(rèn)66100149+149410未經(jīng)確認(rèn)059157+157373共    計(jì)12159612783 輕、重子是費(fèi)密子，費(fèi)密子和反費(fèi)密子除電荷不同外，固有宇稱也不同，故分開算。正、反介子電荷不同，但宇稱相同，故

11、只算一種。2    1956年Hofstadter發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子并不是物質(zhì)世界的最基本粒子。質(zhì)子電荷半徑約為0.8fm,中子電荷半徑約為0.34fm。從而引出了強(qiáng)子譜的研究，得出強(qiáng)子由夸克組成的假定。電子和核子的深度非彈散射（DIS）最終證實(shí)了核子內(nèi)存在夸克。4科學(xué)家們認(rèn)為物質(zhì)世界由夸克和輕子組成，四種相互作用則通過交換玻色子來(lái)完成。科學(xué)家們用味來(lái)表征夸克特性，并通過夸克味自由度的發(fā)現(xiàn)得出夸克是構(gòu)成其他粒子的基本概念。距今，人們一共發(fā)現(xiàn)了6種夸號(hào)。各參數(shù)如下表：Q、電荷數(shù)    Iz、同位旋z分量C、粲量子數(shù)

12、60;   S、奇異量子數(shù)T、頂量子數(shù)    B、底量子數(shù) 夸克QIzCSTB質(zhì)量上夸克u2/31/2000015Mev下夸克d1/31/2 0 0 0 039Mev粲夸克c2/3 0 1 0 0 01.151.35Gev奇夸克s1/3 0 0 -1 0 075170Mev奇夸克s2/3 0 0 01 0174.3±5.1Ge底夸克b1/3 0 0 0 0 -14.04.4Gev 每個(gè)夸克所帶重子數(shù)為1/3，并帶一種色，每個(gè)夸克共有3色，類似電荷間相互作用，夸克間的相互作用依賴于夸克的色，通過交換膠子（由三代電子正

13、電子對(duì)撞機(jī)研究發(fā)現(xiàn)5）夸克可以同帶有其他任何色的夸克相互作用。目前夸克相互作用基本理論由量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）描述。6自旋為1 膠子是玻色子，理論上有9種膠子：色單態(tài)和色八重態(tài)，但色單態(tài)被證明不存在。到目前為止，人們發(fā)現(xiàn)所有可觀察到的獨(dú)立強(qiáng)子態(tài)都是色單態(tài)，對(duì)色單態(tài)交換強(qiáng)子中的任何兩個(gè)夸克都是完全反對(duì)稱的，實(shí)驗(yàn)上，人們還未分離出任何色三重態(tài)描述的單個(gè)夸克，人們認(rèn)為只能分離觀察到處于色單態(tài)的強(qiáng)子，觀察不到獨(dú)立的單個(gè)夸克的事實(shí)也表明夸克和膠子間的相互作用在長(zhǎng)程范圍內(nèi)一定是極強(qiáng)的。在實(shí)驗(yàn)方面還未分離出任何一個(gè)單個(gè)夸克，這使得人們認(rèn)為夸克在強(qiáng)子中的大空間范圍內(nèi)的行為可以描述為囚禁在強(qiáng)子內(nèi)。7科學(xué)家們一般

14、認(rèn)為重子是唯象夸克模型：三夸克束縛態(tài)。這種理論已經(jīng)成功解釋了目前所知重子的所有性質(zhì)。這引起我們對(duì)反質(zhì)子、反中子的夸克模型的思考。若僅從電荷等一些基本參數(shù)考慮，可初步認(rèn)為反質(zhì)子、反中子由質(zhì)子、中子所對(duì)應(yīng)夸克的反夸克構(gòu)過，這顯然需要具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)。在解釋過程中我們還應(yīng)當(dāng)考慮反夸克間組合形式與夸克間組合形式的差別，不能單認(rèn)為是反夸克即可。三代夸克間組合遵守一定的內(nèi)在定律，只要人們找到這種定律。在外加條件下誘導(dǎo)其發(fā)生組合形成的轉(zhuǎn)變。（這在現(xiàn)今夸克囚禁理論下被視為不可能，但我們應(yīng)充滿信心。） 從物質(zhì)到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變前面已經(jīng)提到，人類現(xiàn)在還只能實(shí)現(xiàn)能量到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，離物質(zhì)到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變還有很長(zhǎng)一段距

15、離。大統(tǒng)一理論預(yù)言存在質(zhì)子的衰變：P°+e+，衰變壽命為1032±2年，這使我們得到了物質(zhì)到反物質(zhì)轉(zhuǎn)變的肯定答案，并且正在被中微子探測(cè)器所證實(shí)。8    這引起我們對(duì)較大核誘導(dǎo)變成反質(zhì)子、反中子等基本反物質(zhì)粒子的思考。當(dāng)然我們應(yīng)更多地認(rèn)識(shí)到這種衰變所需的完善理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所以還應(yīng)當(dāng)從物質(zhì)基本相互作用、組成形式等方面入手，一步一步走向成功。         結(jié)束語(yǔ)    反物質(zhì)的巨大魔力正驅(qū)使著人類投入巨大的人力、物

16、力去研究它，我們堅(jiān)持人類將不在久的將來(lái)揭開反物質(zhì)之謎。歐洲核子研究中心正在建設(shè)世界上最大的加速器強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。這一對(duì)撞機(jī)得到歐洲國(guó)家和美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)家的支持，預(yù)計(jì)將于2005年建成投入使用，估計(jì)總耗資60億美元?？茖W(xué)家們認(rèn)為，隨著一系列研究工具的投入使用和世界各國(guó)的通力合作，人類將真正獲得反物質(zhì)所帶來(lái)的無(wú)窮能量。    參考文獻(xiàn)1    黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京：中國(guó)電力出版社，19992    張永恩.原子和原子核物理學(xué).濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，19863 張華順.離子源和大功率中性來(lái)源. 北京:原子能出版社,19874    王 凡.物理學(xué)進(jìn)展，2002，22（1）1265    何景棠. 物理學(xué)