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塞格雷、張伯倫發(fā)現(xiàn)的復(fù)合粒子
基本信息
| 中文名 | 反質(zhì)子 |
| 外文名 | antiproton |
| 發(fā)現(xiàn)人 | 塞格雷 張伯倫 |
| 粒子類型 | 復(fù)合粒子 |
| 發(fā)現(xiàn)時間 | 1955年 |
發(fā)現(xiàn)
反質(zhì)子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
早在1928年，狄拉克便預(yù)言了反質(zhì)子的存在，但證實它的存在卻花了20多年的時間。根據(jù)狄拉克的理論，反質(zhì)子的質(zhì)量與質(zhì)子相同，所帶電荷相反，質(zhì)子與反質(zhì)子成對出現(xiàn)或湮沒，用兩個普通的質(zhì)子碰撞便可獲得反質(zhì)子，但反質(zhì)子的產(chǎn)生閾能為6.8GeV。1954年，在加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯輻射實驗室，建成了64億電子伏的質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器，這為尋找反粒子提供了條件。1955年，張伯倫和塞格雷用上述加速器證實了前一年人們所觀測的反質(zhì)子的存在。由于反質(zhì)子出現(xiàn)的機會極少，大約每1000億高能質(zhì)子的碰撞，才能產(chǎn)生數(shù)量很少的反質(zhì)子，因而證實反質(zhì)子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質(zhì)子。由于偶然符合本底不大，記數(shù)系統(tǒng)雖不算好，但較為可信。
不久他們又發(fā)現(xiàn)反中子。盡管高能粒子打靶時也能產(chǎn)生反中子，但是由于反中子不帶電，更難從其他粒子中鑒別出來。他們是利用反質(zhì)子與原子核碰撞，反質(zhì)子把自己的負電荷交給質(zhì)子，或由質(zhì)子處取得正電荷，這樣，質(zhì)子變成了中子，而反質(zhì)子則變成了反中子。
反質(zhì)子（antiproton）是質(zhì)子的反粒子，其質(zhì)量及自旋與質(zhì)子相同，但電荷及磁矩則與質(zhì)子相反，帶有與電子相同的負電荷。
1955年，加州大學(xué)柏克萊分校物理學(xué)家塞格雷（EmilioGinoSegrè）和張伯倫（OwenChamberlain）透過粒子加速器，而發(fā)現(xiàn)了這種反粒子，他們二人于1959年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
由于這些粒子在與質(zhì)子撞擊時會相湮滅，轉(zhuǎn)化為能量，因此這些粒子在自然界中的壽命極短。它們需在1,000萬K以上的環(huán)境下方能產(chǎn)生，自然界中只有在宇宙大爆炸，方能產(chǎn)生出反質(zhì)子。不過在CERN實驗室作出的研究中，他們以同步加速器把質(zhì)子加速至達26GeV量的水平，然后與金屬銥棒撞擊，其能量足夠產(chǎn)生反質(zhì)子，在所得到的粒子與反粒子中，科學(xué)家以磁力把反粒子隔離。
獲獎情況
魯比亞，C.在正反質(zhì)子對撞機上進行幾百吉電子伏的對撞實驗，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代弱電統(tǒng)一理論所預(yù)言的傳力子，因而獲得1984年度諾貝爾獎金物理學(xué)獎。
1955年，加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家塞格雷和張伯倫透過粒子加速器，而發(fā)現(xiàn)了這種反粒子，他們二人于1959年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
試驗
首次探測
2011年08月09日據(jù)BBC報道，科學(xué)家首次探測到一條由反質(zhì)子粒子構(gòu)成的狹長帶狀地帶，環(huán)繞在地球附近的空間中。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于《天體物理學(xué)快報》(Astrophysical Journal Letters)，文獻證實了此前地球的磁場能夠俘獲反物質(zhì)粒子的理論工作。同時，該研究團隊表示，在范艾倫輻射帶的兩個層面之間也發(fā)現(xiàn)了少量的反質(zhì)子，或可俘獲一些常規(guī)物質(zhì)。盡管數(shù)量不多，研究團隊認為這些反質(zhì)子能為未來的太空飛船供給足夠的燃料。
2006年發(fā)射升空的Pamela人造衛(wèi)星識別出了這些反質(zhì)子粒子，它的使命是研究來自太陽系以及太陽系之外空間中高能粒子的本質(zhì)（也就是宇宙射線的本質(zhì)）以及在大量常規(guī)物質(zhì)中搜尋可能存在的極少量反物質(zhì)粒子。高能宇宙射線沖擊、突破地球大氣層中的分子，形成自由粒子“流星雨”。很多宇宙射線粒子及其沖擊大氣層分子形成的物質(zhì)最后都被范艾倫輻射帶俘獲，這個甜甜圈形狀的輻射區(qū)正是地球磁場俘獲反質(zhì)子粒子的區(qū)域。當Pamela衛(wèi)星經(jīng)過南大西洋異常區(qū)的上空時，探測到比宇宙空間中常規(guī)衰變濃度高出數(shù)千倍的反物質(zhì)粒子聚集區(qū)，研究團隊認為這一區(qū)域存在類似于范艾倫輻射帶附近的反質(zhì)子帶，在光的照射下，反質(zhì)子粒子與大氣層中的常規(guī)物質(zhì)相碰撞，最終消失不見。
論文共同作者、巴里大學(xué)的亞歷山大·布魯諾(Alessandro Bruno)表示，這一成果證實了之前的理論預(yù)測，即地球附近確實存在反物質(zhì)帶。而這些反物質(zhì)與常規(guī)物質(zhì)相遇時能夠釋放出巨大的能量，正吸引著人們探索反物質(zhì)作為燃料驅(qū)動太空飛船的可能性。
基本性質(zhì)
質(zhì)量及自旋與質(zhì)子相同，但電荷及磁矩則與質(zhì)子相反，帶有與電子相同的負電荷。壽命也與質(zhì)子相當。一個反質(zhì)子是由兩個上反夸克及一個下反夸克所組成。雖然反質(zhì)子本身是穩(wěn)定的，但由于反質(zhì)子與質(zhì)子接觸會發(fā)生湮滅的現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)化為能量，是故反質(zhì)子無法在一般的自然環(huán)境中保存。
與核的作用
反質(zhì)子與原子核碰撞后各種現(xiàn)象的研究,正處在初步階段，是人們期待的獲得核中存在反質(zhì)子束縛態(tài)或共振態(tài)的一類反應(yīng)。理論上猜測,如果在核中存在著反質(zhì)子束縛態(tài),由于平均場是深位阱和吸收型,將會使低能級的結(jié)合能很大和能級寬度很寬,如幾十Mev,使得能級不易分辨。實驗結(jié)果,由于必需扣除準自由敲出反應(yīng)、統(tǒng)計蒸發(fā)的背景,實驗數(shù)值還不足以說明在核中存在反質(zhì)子束縛態(tài)，但也未有否定的證據(jù)。
最近,由于從畫中發(fā)現(xiàn)了帶桀夸克的例子，人們以極大的興趣在原子核中尋找?guī)Ь鬯氐暮耸`態(tài),這需要高能量下的反質(zhì)子束流。人們已作了一些在核中存在民粒子可能性的估算。由于它不受泡里不相容的堵塞效應(yīng),而且其存在純是由于膠子交換力，因此很可能存在華H3系統(tǒng)。它的結(jié)合能約19Mev。
貯存環(huán)裝置
1983年，西歐核子研究中心(cERN)建成反質(zhì)子貯存環(huán)裝置LEAR。它是獲得強流和高分辨率的反質(zhì)子束流裝置,從而使反質(zhì)子物理的研究進入一個新階段.不單由反質(zhì)子與核子碰撞后發(fā)生的各式各樣過程，用之從事研究重子素、質(zhì)子偶素和即的散射現(xiàn)象，它們的共振態(tài)和束縛態(tài),以及加湮沒后產(chǎn)生的各類粒子，而且由于其分辨率小于原子核的能級距離，反質(zhì)子與原子核的散射進入到可以區(qū)分不同末態(tài)道的過程,如彈性道和確定末態(tài)的非彈性道等。
科學(xué)史
宇宙線專家曾希望反質(zhì)子能像正電子一樣也落人他們布下的羅網(wǎng),可事實證明核的反物質(zhì)本性更難捉摸。用狄拉克的話說，輻射量子必須有足夠的能量才能從負能態(tài)“海”中挖出一個粒子。這種觀點到1947年已明確量化為:輻射的量子必須轉(zhuǎn)化為粒子一反粒子對。為了實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,輻射量子必須提供單個粒子或反粒子的兩倍的質(zhì)量。當時所發(fā)現(xiàn)的宇宙線量子只能形成兩個電子的質(zhì)量,而形成一個質(zhì)子一反質(zhì)子對，必須要有上述宇宙線量子輻射的2000倍的能量。1954年和1955年出現(xiàn)了有些含糊的關(guān)于難以捉摸的反質(zhì)子的宇宙線報告，可這些結(jié)果都缺乏說服力。
1954年,當時世界上威力最大的原子粉碎器—高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器在伯克利開始運行。1955年,張伯倫、塞格雷、威甘德(C.Wie-gand)和伊普西蘭蒂斯(T.YsPilanist)開始準備利用該加速器捕捉反質(zhì)子。他們希望該加速器能把帶電粒子加速到其設(shè)計能量值,以越過反質(zhì)子的壁壘。但安德森先驅(qū)性的實驗表明,要區(qū)分沿某一方向運動的正電子與沿另一方向運動的電子相當困難。而新加速器產(chǎn)生的每100萬個質(zhì)子中只有一個能產(chǎn)生反質(zhì)子，余下的會變成其他粒子。為了把寶貴的反質(zhì)子精華提取出來,他們使用了一種兩塊連用的磁透鏡系統(tǒng)，以使粒子束更純一些。就像用棱鏡能把一束白光分成組成它的各種色光那樣,該系統(tǒng)的目的就是要讓混合的粒子束通過磁場時按其各自不同的能量區(qū)分開。就像安德森曾借助在磁場中徑跡的彎曲來區(qū)分快正電子和慢正電子那樣，該實驗用一塊磁鐵掃除帶正電荷的粒子，濾出最有希望的富含反質(zhì)子的帶負電荷的粒子束。為了辨認反質(zhì)子，實驗測量了粒子經(jīng)過相距12米的兩塊磁透鏡的時間。這臺新加速器產(chǎn)生的大多數(shù)亞核粒子幾乎都以光速運動，通過12米的距離需要40納秒。而由于反質(zhì)子非常重,因此走得慢一些,要用51納秒。盡管沒有什么能比真空中的光速更快,高能粒子卻能以比光在玻璃中的速度還快的速度穿過像玻璃這樣的透明體,并產(chǎn)生切連科夫光，其方向取決于高能粒子的速度。他們設(shè)計了一個精巧的速度濾光器,即用一個圓柱形鏡子來保證只有對應(yīng)于反質(zhì)子的光才被反射到其焦點上，并由一個光放大器來拾取。
1955年，加速器的能量達到了反質(zhì)子的闌值,使反質(zhì)子的檢測成為可能。為了檢測到反質(zhì)子,他們把檢測系統(tǒng)的電子學(xué)線路設(shè)定為在加速器能量達到閡值后51納秒時才“開始啟動”,并由切連科夫光放大器記錄光信號。實驗開始后,四位實驗人員急切地注視著示波器。起初,什么也沒發(fā)生。他們想也許是什么地方有差錯而影響了這個精致的設(shè)備,于是掉轉(zhuǎn)了磁棱鏡的磁場,這樣就使該儀器對帶正電荷的大量質(zhì)子很靈敏，可以很容易得到質(zhì)子的信號。可是,他們?nèi)詻]有得到質(zhì)子計數(shù)。于是他們檢查了計算,果然發(fā)現(xiàn)在磁棱鏡中有一個錯誤設(shè)置。改正之后,他們先從質(zhì)子的檢測開始，看到大量質(zhì)子計數(shù)后才把磁場重新掉轉(zhuǎn)過來檢測反質(zhì)子。不久,第一個反質(zhì)子計數(shù)就出現(xiàn)了。該實驗繼續(xù)進行了三個月，進一步實驗結(jié)果表明，質(zhì)子和反質(zhì)子的質(zhì)量在大約5%的誤差內(nèi)是相等的。這樣,那些打賭否認存在反質(zhì)子的人只好認輸。反質(zhì)子一經(jīng)發(fā)現(xiàn),馬上就成了下一個反粒子的踏腳石。
1957年，伯克利的庫克(B.Cook)、蘭伯森(G、.RLanbrertson)、皮喬內(nèi)(o.Pieeione)和溫策爾(B.Wentzel)開始尋找反質(zhì)子的反核伙伴，即反中子。由于反中子不帶電荷，無法直接探測到，只能通過其相互作用間接進行,因而更難探測。庫克等人控制好反質(zhì)子,并把它們發(fā)射到被液體浸沒的發(fā)光材料中；然后他們讓帶電粒子探測器自動記下是否有帶電粒子通過;；最后束流遇到切連科夫計數(shù)器的玻璃片。實驗人員發(fā)現(xiàn)了74個事例(即能表征有反中子通過的切連科夫光)，其中入射的反質(zhì)子顯然在最初的閃爍靶上失去了電荷。雖沒有帶電粒子通過帶電粒子探測器,可切連科夫計數(shù)器卻檢測到了相互作用的結(jié)果。他們認為，反質(zhì)子在第一個靶上失去了電荷，轉(zhuǎn)變?yōu)榉粗凶樱蚨谕ㄟ^帶電粒子探測器時就看不到,直到反中子進入切連科夫玻璃的原子核中與一個亞核粒子湮沒并發(fā)出亞核碎片的特征光時才可見。有了反質(zhì)子和反中子，下一步就是制造反核。第一種核反物質(zhì)是由在CERN工作的意大利物理學(xué)家齊基基(A.iZhcichi)在1965年合成的反氘核。
氫原子是所有原子中最簡單的,它由單個電子繞一個質(zhì)子作軌道運動形成。可在自然界中,每一萬個氫原子中就有一個是不同的，在它的核中雖仍只有一個質(zhì)子(否則就不再是氫了)，可它還有一個額外的中子與質(zhì)子緊緊地束縛在一起。由于它有兩個單位的原子量，這種“重氫”被稱為氘,質(zhì)子一中子對核這個最簡單的復(fù)合核被稱為氘核。齊基基在用高度提純的帶負電粒子束來增進反質(zhì)子的供給時發(fā)現(xiàn)了反氘核，它由一個反質(zhì)子和一個反中子組成，像普通原子核一樣穩(wěn)定。事實上，物質(zhì)世界由原子構(gòu)成，而原子又由質(zhì)子、中子和電子組成，那么，反質(zhì)子、反中子和正電子能否組成反原子而成為反物質(zhì)呢？從原則上講,這是可以氮原子和反氮原子互為鏡像的，因為把質(zhì)子和中子吸引在一起的核力以及原子核吸引電子的電磁力都具有正反粒子對稱性，也就是說，一對粒子之間的作用力與一對相應(yīng)的反粒子之間的作用力完全相等。但從實驗上看,在地球上乃至宇宙中想找到天然的反元素幾乎沒有先例，于是只好借助加速器來人工制造反核素和反元素。
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