反物質(zhì)合成和結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

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)子誘導(dǎo)眾所周知，人類現(xiàn)在正面臨全面的能源危機。讓我們看一看世界能源大會1995年版《能源資源調(diào)查》中關(guān)于1993年世界能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)：1煤炭：世界名國煤炭探明可采儲量：煙煤、無煙煤，次煙煤，褐煤，合計。1993年年產(chǎn)量煙煤、無煙煤，次煙煤，褐煤，合計。儲采比230年。2石油：世界各國石油探明可采儲量：原油，天燃?xì)庖?，合計?993年年產(chǎn)量，儲采比44年。3天然氣：世界各國天然氣探明可采儲量，1993年年產(chǎn)量，儲采比57年。4核能：世界各國鈾礦探明儲量，1993年年產(chǎn)量32171t。儲采比114年。[1]同時人類也在大力開發(fā)可再生能源如：太陽能、核聚變能等。但我們應(yīng)該認(rèn)識到，所有這些能量都可以用一個具體的數(shù)字來衡量，即它終究會耗盡，那么有沒有真正的無窮能量呢？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)湮滅時將產(chǎn)生巨大的能量，且宇宙物質(zhì)無法用數(shù)字來衡量。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年錢姆伯林用加速器將質(zhì)子加速到6Gev去轟擊銅靶，生成物∏ˉ與質(zhì)子比例為50000∶1。為進(jìn)一步探索反物質(zhì)之謎，科學(xué)家在實踐上采取了兩種途徑，一是在自然界中尋找反物質(zhì)，二是在實驗室中制造反物質(zhì)。1997年4月，美國海軍研究實驗室、西北大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校等五個著名研究機構(gòu)的天文學(xué)家宣布，通過觀測到在銀河系上方約3500光年處高于可見光強25萬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“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機帶著由中國科學(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，它被送上國際空間站，進(jìn)行更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集。實驗室制造反物質(zhì)進(jìn)展較快，1995年歐洲核子研究中心的科學(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)合形成一個反氫原子，在15小時的實驗中，共觀測到9個反氫原子。但由于反氫原子處于正物質(zhì)包圍中，經(jīng)歷一億分之三秒后正、反物質(zhì)發(fā)生湮滅。1996年美國費米國立加速器實驗室成功制造了7個反氫原子。2000年9月18日歐洲核子研究中心在世界9個研究所，39名科學(xué)家的通力合作下宣布已成功制造出約5萬個低能態(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)子減速器是一個圓形混凝土盒，周長188m，耗資1150萬美元。它利用磁場將高能反質(zhì)子和正電子冷卻、減速和聚積，最終在電磁場束縛下形成大量反氫原子，這些“冷”反氫原子溫度僅比絕對零度略高幾度，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)行研究必須解決三個最重要的問題，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)存儲問題。

第一個問題：反質(zhì)子的電荷、磁矩與質(zhì)子反號，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。第二個問題：反質(zhì)子和正電子的“冷卻”。在正物質(zhì)占絕對優(yōu)勢條件下，只有將反質(zhì)子和正電子的速度降下來，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大磁場將粒子流束縛在一個較小區(qū)域，并用反向電場對反質(zhì)子進(jìn)行減速、探測、分離。正電子也可用這種方法進(jìn)行“冷卻”。第三個問題：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有適當(dāng)電磁場結(jié)構(gòu)的“陷阱”中，并在德拜屏蔽長度λd限制下處于穩(wěn)定狀態(tài)。只不過要想存儲更多的反物質(zhì)，還要對“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？因為原子更趨于穩(wěn)定，有利于更深入地研究、存儲及利用。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)原因是只實現(xiàn)了能量到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，如果實現(xiàn)了物質(zhì)到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，人類將會得到副余能量。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，并用強電場對其進(jìn)行“撒裂”，通過測量拆散反氫原子所需電場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”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?；玖Ｗ臃N類、數(shù)目如下表：輕子輕子重子合計已經(jīng)確認(rèn)6＋6100149+149410未經(jīng)確認(rèn)059157+157373共計12159612783輕、重子是費密子，費密子和反費密子除電荷不同外，固有宇稱也不同，故分開算。正、反介子電荷不同，但宇稱相同，故只算一種。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,中子電荷半徑約為。從而引出了強子譜的研究，得出強子由夸克組成的假定。電子和核子的深度非彈散射最終證實了核子內(nèi)存在夸克?？茖W(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完成?？茖W(xué)家們用味來表征夸克特性，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。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)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u2/31/200001～5Mev下夸克d－1/3－1/200003～9Mev粲夸克c2/30100～奇夸克s－1/300-10075～170Mev奇夸克s2/30001±底夸克b－1/30000-～每個夸克所帶重子數(shù)為1/3，并帶一種色，每個夸克共有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力學(xué)描述。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)所有可觀察到的獨立強子態(tài)都是色單態(tài)，對色單態(tài)交換強子中的任何兩個夸克都是完全反對稱的，實驗上，人們還未分離出任何色三重態(tài)描述的單個夸克，人們認(rèn)為只能分離觀察到處于色單態(tài)的強子，觀察不到獨立的單個夸克的事實也表明夸克和膠子間的相互作用在長程范圍內(nèi)一定是極強的。在實驗方面還未分離出任何一個單個夸克，這使得人們認(rèn)為夸克在強子中的大空間范圍內(nèi)的行為可以描述為囚禁在強子內(nèi)?？茖W(xué)家們一般認(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、中子所對應(yīng)夸克的反夸克構(gòu)過，這顯然需要具體的實驗數(shù)據(jù)來證實。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。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)變還有很長一段距離。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器所證實。這引起我們對較大核誘導(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)識到這種衰變所需的完善理論和實驗證實，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)束語反物質(zhì)的巨大魔力正驅(qū)使著人類投入巨大的人力、物力去研究它，我們堅持人類將不在久的將來揭開反物質(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——強子對撞機。這一對撞機得到歐洲國家和美國、日本、俄羅斯等國家的支持，預(yù)計將于2005年建成投入使用，估計總耗資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的通力合作，人類將真正獲得反物質(zhì)所帶來的無窮能量。

參考文獻(xiàn)[1]黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論.北京：中國電力出版