21世紀內(nèi)人類的宇宙反物質探索

自人類以來，對物質世界的研究一直是人類不斷了解和改造世界的結果。特別是在揭露了原子秘密后，人類信息進入了一個新時代。例如，原子能的開發(fā)促進了原子能的開發(fā)、控制技術和計算機的發(fā)展。例如，原子能探測技術和計算機的發(fā)展。為了研究物質微觀結構提供了實驗手段。場論、力學和量電動學（qd）、量色動力學（qcd）和量味動力學（qfd）的建立和發(fā)展，為研究顆粒的動態(tài)機制提供了理論基礎，并形成了構成物質世界的輕子消費者。這是人類深入探索物質微觀結構的結果。隨著反粒子、反氘核和反氫原子的發(fā)現(xiàn)以及天體演化研究的進展,人們又將目光轉向反物質世界的探索.1998年6月3日,丁肇中研究組的學者將中國參與制造的α磁譜儀用航天飛機帶上太空試驗,揭開了人類太空探測宇宙反物質的新篇章.預計在21世紀內(nèi)人類有可能揭開宇宙反物質之謎.根據(jù)宇宙大爆炸理論和質能關系.在宇宙大爆炸時的超高溫條件下,是可以產(chǎn)生大量正、反質子,正、反中子和正、反電子的;根據(jù)反質子、反中子和反電子具有與質子、中子和電子同樣的穩(wěn)定性,在一定條件下,這些反粒子形成反原子核、反原子、反物質也是有可能的.宇宙大爆炸時產(chǎn)生的正、反物質不是等量對稱的.從人類首次發(fā)現(xiàn)反質子的反應方式估算,反物質大約只有總物質的1/4左右.雖經(jīng)漫長歲月的可能正反物質相遇而爆炸性湮滅,但仍可能有反物質殘存于宇宙中.反物質之謎也是本文感興趣的.1原子內(nèi)部的能量早在公元前4世紀,古希臘人德漠克利特(Democritus)就提出過“原子說”,認為萬物均由不可分割的原子組成.1897年,湯姆遜對陰極射線在靜電場中偏轉時的電荷和質量測量,發(fā)現(xiàn)了質量僅為氫原子質量1/1840的電子,這意味著原子不是組成物質的最小單元.1911年,盧瑟福根據(jù)α粒子射向金屬原子靶時發(fā)生大角度偏轉的實驗事實,揭示了原子中有一個質量和正電荷集中的中心體——原子核.從而認識到原子由原子核和核外電子組成.1913年,玻爾根據(jù)氫原子光譜的實驗規(guī)律提出氫原子的能級理論,1914年弗朗克等人從實驗上證實原子內(nèi)部確實存在不連續(xù)的能量狀態(tài).1919年,盧瑟福用天然放射的α粒子去轟擊氮原子核時發(fā)現(xiàn)了質子;1932年,恰德維克又在α粒子轟擊鈹靶的實驗中發(fā)現(xiàn)了中子,使人們認識到原子核又由質子和中子組成.1968年,斯坦福直線加速器中心(SLAC)用100億電子伏特的高能電子束對質子靶進行深度非彈性散射實驗時,發(fā)現(xiàn)能深入質子內(nèi)部的高能電子卻發(fā)生了大角度散射,表明質子內(nèi)部還有點狀粒子存在.這點狀粒子就是蓋爾曼理論模型中的夸克(或層子模型中的層子).現(xiàn)已確認質子由2個u夸克(u是up的簡寫,帶+23e+23e的電荷)和1個d夸克(d是down的簡寫,帶-13e?13e電荷)組成;中子由2個d夸克和1個u夸克組成.即由夸克u和d可構成核子(質子、中子的總稱);不同數(shù)量的核子則構成不同的原子核;不同的原子核和相應的核外電子構成不同的原子,從而構成不同的物質.初看起來似乎有了夸克u、d和電子e(不參與強相互作用的輕子)就可完滿地描述日常物質世界的構成.其實不然.(1)核力中有弱作用力成份和弱作用過程在核素中幾乎普遍存在的事實,以及弱作用衰變直接關系到某些元素的起源和元素的衰變鍵,u,d,e還不能完善地構成日常物質世界.例如,太陽之所以能有持久的光和熱,就是由于太陽內(nèi)部有質子-質子核反應鍵和碳-氮核反應鍵持續(xù)循環(huán)的結果.這兩種循環(huán)核反應鍵都依賴于弱作用的β衰變.如果沒有弱作用衰變,太陽的光和熱和就會終止,地球上也就不會有生命.而表征弱作用特征的粒子是中微子νe(僅參與弱作用的輕子).(2)夸克和輕子的自旋都是1212,它們之間存在對稱性.根據(jù)目前認識,構成日常物質世界的基本成員是夸克對u,d和輕子對e,νe.2多資源類,多為方之間人們在中、高能物理研究中,曾發(fā)現(xiàn)許多非日常物質世界中的產(chǎn)物:(1)奇異粒子1947年,羅切斯特等人用磁云室研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了一些“V”型徑跡,經(jīng)測量分析,這些“V”形徑跡是兩類不同粒子的衰變產(chǎn)物,1953年,布魯克海汶實驗室(BNL)利用高能質子加速器重復實驗查明:這兩類不同粒子是通過強相互作用協(xié)同產(chǎn)生,而通過弱相互作用獨立衰變的.已發(fā)現(xiàn)的奇異粒子有介子類和超子類.如Κ+?Κ-?Κ0?ˉΚ0(Κ0K+?K??K0?Kˉˉˉ0(K0的反粒子)等,其質量介于核子和電子之間,屬介子類;又如∑+,∑-∑0,Ω-,…等等,它們的質量都大于核子的質量,屬超子類.上述奇異粒子的夸克組成為:Κ+(u,ˉs)?Κ-(s,ˉu)?Κ0(d,ˉs)?ˉΚ0(s,ˉd);∑+(u,u,s),∑-(d,d,s),∑0(d,s,u),Ω-(s,s,s).括號中的英文字母代表組成該粒子的夸克類型.如s為奇異夸克,字母上的一橫,表示該粒子的反粒子,如ˉs為反奇異夸克.所有介子均由正、反夸克組成,所有超子均由3個夸克組成.它們的夸克組成中,至少有1個奇異夸克s或反奇異夸克ˉs.這和日常物質世界中核子的夸克組成是不同的.(2)奇異核和奇異原子如Λ超核3ΛH(核中有1個質子、1個中子和1個Λ超子),5ΛHe(核中有2個質子,2個中子,1個Λ超子),又如8ΛBe,9ΛBe,11ΛBe,12ΛBe(它們的核中均為4個質子,1個Λ超子,其中子數(shù)分別為3,4,6,7).上述Λ超核都是核中有1個Λ超子取代了1個中子而形成的.此外,還有雙Λ超核,如10ΛΛBe,則是核中有2個Λ超子取代了2個中子而形成的.上述Λ超核中都含有奇異夸克s.這也與日常物質世界中原子核的成份有所不同.奇異原子是由帶負電的其它粒子在物質中慢化到原子中的軌道速度時取代了核外電子而形成的.如μ-原子,K-原子,∑-原子等等.它們也與日常的原子不同.特別是K-原子和∑-原子中還含有奇異夸克s.(3)含粲夸克粒子例如含粲夸克超子:∑+c(c,u,d),∑0c(c,d,d),X+c(c,c,d),S+c(c,u,s),S0c(c,d,s),T0c(c,c,s)等以及粲夸克偶素(c,ˉc).上述含有奇異夸克和粲夸克的粒子也都不屬于日常物質世界.3物質世界的構成在第1節(jié)我們已談到,輕子e,νe與夸克u,d構成日常物質世界.而已發(fā)現(xiàn)的夸克有上夸克u(up)、下夸克d(down),奇異夸克s(sτrange)、粲夸克c(charm),底夸克b(botten)和頂夸克t(top)6種.這6種不同的夸克被稱為6種不同的味道(在量子味動力學中,味道這一概念首先是作為量子數(shù)引入的).每一味道的夸克又分3種不同的顏色,用來標記3個不同的狀態(tài)(在量子色動力學中,常被稱之為色量子數(shù),它的引入是為了避免諸如粒子Δ-(d,d,d),Δ++(u,u,u)有3個同類夸克處于同一狀態(tài)而會違反泡利原理而提出的).已發(fā)現(xiàn)的輕子有e(電子),μ-(μ子),τ-(重輕子)及與它們對應的中微子νe,νμ和ντ.如果再加上每一夸克和每一輕子相對應的反粒子.則共有24種正反夸克和正反輕子.如果按夸克對u,d和輕子對e,νe作為一個家族構成日常物質世界,那么3對夸克和3對輕子則可把物質世界分成輕子、夸克三大家族.如圖1所示.1家族:構成五彩繽紛,千姿百態(tài)的日常物質世界(包括人類本身).第2家族:其典型產(chǎn)物有奇異夸克偶素(s,ˉs),粲夸克偶素(c,ˉc),超子Ω-(s,s,s),X+s(c,c,s),T0(c,s,s)等等.第3家族:γ粒子是該家族中第1個被人們認識的粒子.它由正、反底夸克(b,ˉb)構成.有些粒子是由2個家族中的夸克混合構成的.例如∑+(u,u,s),∑-(d,d,s),Ξ-(d,s,s),Ξ0(u,s,s),∑+c(c,u,d),∑0c(c,d,d),,X+c(c,c,d),S+c(c,u,s),S0c(c,d,s).物質世界由輕子、夸克3家族組成,這是人們目前對物質世界微觀組成的深層認識.另一方面,由于每一夸克和每一輕子都有相對應的反粒子.這就意味著由反夸克和反輕子也可組成反物質世界.也意味著宇宙中還應有反物質和反天體存在.下面我們將根據(jù)宇宙大爆炸時的超高溫和反核子產(chǎn)生的條件來探討反物質存在的可能性,并對歷史上不明原因的通古斯卡大爆炸進行一些討論.4反質子1928年,狄拉克在研究薛定諤非相對論量子力學波動方程和海森堡矩陣力學的基礎上,建立了有名的相對論量子力學方程,該方程中出現(xiàn)了對應于正、反粒子的正、負能態(tài)解.如果正能態(tài)對應的是自旋為1/2的正粒子,那么負能態(tài)則對應于自旋為1/2的反粒子.1932年,安德森用磁云室研究宇宙射線時果然發(fā)現(xiàn)了電子的反粒子——正電子.1955年,美國勞倫斯伯克利實驗室(LBL)的張伯倫等人,用高能質子加速器將質子加速到62億電子伏特去轟擊氫靶,通過反應Ρ+Ρ→Ρ+Ρ+Ρ+ˉΡ發(fā)現(xiàn)了反質子ˉΡ.1956年,考爾克等人利用上述方法產(chǎn)生的反粒子(反質子)去轟擊質子靶,通過電荷交換反應ˉΡ+Ρ→n+ˉn又發(fā)現(xiàn)了反中子ˉn.1960年中國王淦昌在前蘇聯(lián)杜布納城任國際聯(lián)合核子研究所所長期間,領導有關科學家發(fā)現(xiàn)了反負西格瑪超子∑ˉ-.一系列實驗事實表明,不僅自旋為半整數(shù)的粒子(費米子)存在對應的反粒子.如輕子:e-,e+;μ-,μ+,重輕子τ-,τ+;中微子:νe,ˉνe;νμ,ˉνμ;ντ,ˉντ.夸克:u,ˉu;d,ˉd;s,ˉs;c,ˉc;b,ˉb;t,ˉt.核子:P,ˉΡ;n,ˉn.超子Λ,ˉΛ;∑0?∑ˉ0;∑-?∑ˉ-;∑+?∑ˉ+等等.自旋為整數(shù)的粒子(玻色子)也存在對應的反粒子.如介子:π-,π+;k-,k+;k0,ˉk0等等.按費曼圖分析,粒子和反粒子也是對應的,每一種粒子都有它的反粒子.1961年,美國布魯克海汶實驗室(BNL)利用高能質子加速器AGS將質子加速到300億電子伏進行反氘核實驗研究.結果發(fā)現(xiàn)了反氘核ˉd.1995年,歐洲核研究中心(CERN)通過反應:ˉpz→ˉprrz→ˉpe+e-z→ˉΗe-z而發(fā)現(xiàn)了反氫原子ˉΗ.人們還發(fā)現(xiàn):核與反核,原子與反原子分別具有相同的作用力場,可能遵循同樣的物理規(guī)律.根據(jù)反粒子ˉu,ˉd,e+,ˉνe同樣具有穩(wěn)定性的特點,那么由反夸克ˉu,ˉu,ˉd可構成反質子ˉΡ;由反夸克ˉu,ˉd,ˉd可組成反中子ˉn;由反質子ˉΡ和反中子ˉn可構成反原子核;由反原子核和反電子可構成反原子,進而可組成不同的反物質.5高能反質子對vd(1)構成反原子的反質子ˉΡ,反中子ˉn和反電子e+可通過下述反應產(chǎn)生.例如利用高能粒子之間的如下反應:Ρ+Ρ→Ρ+Ρ+Ρ+ˉΡ(1)r+Ρ→Ρ+Ρ+ˉΡ(2)可以產(chǎn)生反質子ˉΡ;利用反質子與質子間的如下電荷交換反應:ˉΡ+Ρ→n+ˉn(3)可以獲得反中子ˉn;利用高能r射線在核場與物質相互作用產(chǎn)生的r湮滅反應:re+e-即r→e++e-(4)可以獲得反電子e+.(2)上述產(chǎn)生反粒子的能量要求:根據(jù)反應式(1),反應后比反應前多了一對正反質子對(Ρ+ˉΡ),設正反質子的質量相等,根據(jù)質能關系,這對正反質子對的靜止能為ΔE=2mpC2?1.9GeV=1.9×109eV.(5)這表明在質心系中兩束質子對撞的情況下,大約需供給質子1.9GeV以上的質心對撞動能.對應于反應式(2),則要求r光子的能量也在1.9GeV以上.而對應于產(chǎn)生反中子的電荷交換反應式(3)和對應于產(chǎn)生反電子的反應式(4),均只需提供10-3?GeV量級的能量,比產(chǎn)生反質子所需的能量1.9GeV要小得多.如果1.9GeV的能量由質子的熱運動能來提供,那么根據(jù)Tk=m0C2可求出質子熱運動所需的高溫T?1013℃.(3)宇宙大爆炸時有形成反物質的條件:根據(jù)宇宙大爆炸理論,在宇宙大爆炸后1s時宇宙物質溫度約1010℃.如果按核爆炸的高溫火球隨時間變化的指數(shù)規(guī)律來估算,那么,在宇宙大爆炸的瞬間(t=10-6?s內(nèi)),宇宙火球內(nèi)的溫度可超過1016℃.在如此高的溫度下即使爆炸前的宇宙全部由正物質組成,宇宙物質也完全處于質子、中子和電子的單粒子運動狀態(tài)(甚至處于夸克、電子狀態(tài)).質子的熱運動能量高達103?GeV,比產(chǎn)生反質子所需的質子熱運動能量約高出1000倍左右,質子之間的每一次碰撞除產(chǎn)生一對高能質子外,還新增加一對高能正、反質子對,因而在宇宙大爆炸時會有大量的高能反質子產(chǎn)生.如果正、反質子之間通過如式(3)的電荷交換反應,則可產(chǎn)生高能正、反中子對;如果正、反質子之間進行湮滅反應,則可產(chǎn)生高能r光子;此高能r光子既可通過和物質的相互作用產(chǎn)生高能正、反電子對,還可按反應式(2)再產(chǎn)生正、反質子對.因此,當宇宙處于高溫火球時可能有大量正、反質子(P,ˉΡ),正、反中子(n,ˉn)和正、反電子(e-,e+)不斷產(chǎn)生(當正、反粒子湮滅時,火球溫度將進一步升高).既有組成物質世界的物質基礎,也有組成反物質世界的物質基礎.(4)宇宙大爆炸后有形成反物質的可能性:當反質子和反中子都慢化到反核內(nèi)的反核子平均動量水平時,只要它們相互接近到聚合反應距離時就可聚合成反核;當反電子e+的速度慢化到反原子中反電子軌道速度時,就有可能被反核的原子軌道俘獲而形成反原子.因為反質子、反中子和反電子都是穩(wěn)定粒子,因而可形成穩(wěn)定的反原子,進而可形成穩(wěn)定的反物質.因此,宇宙大爆炸時是完全有可能形成反物質的.6宇宙反物質的秘密(1)高能r與n的作用根據(jù)宇宙大爆炸時的高溫條件和上述粒子間的相互作用,在宇宙大爆炸后應有大量的反物質形成.為什么人們除了在高能物理實驗室或太空中能發(fā)現(xiàn)反粒子外,卻不見反物質的蹤跡呢?可能原因之一是宇宙大爆炸時產(chǎn)生的正反物質并不對稱,正如式(1)和(式(2)顯示的那樣,雖然正反質子是成對產(chǎn)生的,但反應后的質子數(shù)卻數(shù)倍于反質子數(shù).如果宇宙大爆炸時還存在高能r與n的如下反應:r+n→n+n+ˉn(6)那么在宇宙大爆炸后的中子數(shù)也是多于反中子數(shù)的.這樣就使得大爆炸后在宇宙中形成的正物質多于反物質.而正、反粒子或正、反物質相遇時會產(chǎn)生湮滅而轉化成高能r光子的輻射能.經(jīng)過宇宙大爆炸后約150多億年的慢長歲月,反物質在宇宙中可能已殘存不多了,在茫茫宇宙中很難找到它們,在我們生活的地球上不可能有反物質存在.可能原因之二是:宇宙大爆炸并不均勻對稱,有大量反物質未遭到與正物質湮滅的惡運而遠離正物質而去,處于現(xiàn)今宇宙的另一端.這是因為在高溫宇宙火球內(nèi)正、反粒子的自旋與運動之間存在磁相互作用,若一旦在某方向(如Z向)出現(xiàn)了有序強磁場,此磁場又對正、反粒子的磁矩取向和運動方向產(chǎn)生影響,使正、反粒子繞強磁場相對反向地螺旋運動.使大量正、反粒子在宇宙大爆炸時以旋轉風云形式從兩端拋出(如圖2所示).(2)宇宙大爆炸與反物質從發(fā)現(xiàn)反質子的反應式(1)來看,新產(chǎn)生的正、反質子比是4∶1;根據(jù)宇宙大爆炸理論,最初產(chǎn)生的元素是氫,隨著爆炸后的初始膨脹降溫而產(chǎn)生聚變反應,逐步聚變成其它元素;丁肇中等人前不久進行的α磁譜儀太空探測實驗結果,發(fā)現(xiàn)反電子僅為電子數(shù)的1/4.(詳見1999年9月7日的光明日報:丁肇中談宇宙大爆炸).這一切都暗示:宇宙大爆炸形成的正、反物質比可能為4∶1.正、反物質存在不對稱性是可以理解的.因為正、反粒子產(chǎn)生時在數(shù)量上的對稱性與非對稱性要由產(chǎn)生正、反粒子的方式與能量來決定.例如能量高于1.02MeV的r粒子與物質相互作用時可產(chǎn)生一對正、反電子對,但根據(jù)質能關系,運動能量高于1.02MeV的電子在質心系中的對撞,則可產(chǎn)生3個電子與1個反電子.而這種高能電子的對撞,在宇宙爆炸時的高溫火球內(nèi)是可以經(jīng)常發(fā)生的.如果以為正、反粒子只能等量產(chǎn)生,那是一種錯覺.由于反物質發(fā)出的電磁波信號與光譜同正物質發(fā)生的電磁波信號與光譜是相似的,目前的天文觀測手段還無法去區(qū)分來自正、反物質的天文信息,即使有反物質天體存在,也很難發(fā)現(xiàn).甚至有反物質落地面,由于正、反物質湮滅反應而使反物質消失,人們也很難找到反物質痕跡.因此,宇宙中是否還有反物質,反天體存在還是一個謎.歷史上不明原因的通古斯卡大爆炸,也可能就是一個來自宇宙空間的反物質之謎.(3)通古斯卡大爆炸后的能量釋放特點1908年6月30日當?shù)貢r間7點17分,俄羅斯西伯利亞的通古斯卡地區(qū),曾發(fā)生過一次不明原因的大爆炸,使數(shù)百平方公里的森林被毀,地面留下了一些直徑在100～200m的大坑.所釋放的能量約相當于1500～2000萬t?TNT當量的化學能.這一不明原因的大爆炸曾引起人們種種思考:如果是隕石墜落,那么從坑的直徑和釋放的能量來看,即使隕石能達到每秒30km的速度撞地(第三宇宙速度也只16.7km/s),最少也需要上萬頓隕石,然而卻只找到1～2t所謂的“隕石”.這無法解釋如此巨大的能量釋放.有人曾認為它可能是來自天外的大冰塊隕落,在地面留下大坑,而冰塊卻熔化了,找不到隕落冰塊的蹤跡.但是冰塊撞地形成大坑需要消耗巨大的能量,冰塊的熔