科學家首次長時間捕捉到反物質(組圖)
ALPHA實驗室全景。圖/CERN
反氫原子示意圖。圖/CERN反氫原子示意圖。圖/CERN
歐洲核子研究中心(CERN)是一個龐大的科研機構,除了LHC的相關實驗之外,還有上百個實驗在同時進行,而大部分的實驗,最終的目的都是一個:解開宇宙起源之謎。我們知道建造LHC的最主要目的是為了尋找聞名卻未見的希格斯子,但CERN還有很多其他的事情要做。比如說按照現行理論,宇宙大爆炸時同時出現了物質和反物質,但是兩者卻無法共存,但為什麼今天的宇宙只有物質但沒有反物質呢?反物質到底是什麼東西?隨著技術的進步,這也成了物理界越來越引人注意的話題。
11月底,CERN發布的一個突破性消息引起了人們的廣泛關注。反氫激光物理設備(ALPHA)坐落於CERN的主樓群,僅有40位科學家為此工作。正是他們首次長時間捕捉到了反物質。儘管這個發現借用了LHC的成果,但其實驗和LHC的思想完全相反,不是加速,而是「減速」。
對稱定律解釋世界
和其它物理界的發現一樣,反物質首先也是「思想實驗」。早在79年前,英國物理學家狄拉克就試圖把量子理論和狹義相對論結合在一起。這是兩個互不兼容的基本物理理論。狄拉克發現,反物質必定存在。1932年,人們在實驗中尋找到了狄拉克設想的正電子,其質量、帶電量與電子完全相同,只不過它帶的是正電(電子帶負電荷)。
隨後,人們逐漸發現了各種基本粒子對應的反物質。「反物質就像是物質在鏡子中的像。它和對應基本粒子的質量完全一樣,卻具有相反的其他量子性質。」ALPHA實驗發言人傑弗瑞(Jeffrey Hangst)在接受本報記者採訪時說,「質子帶正電,反質子帶負電;電子帶負電,正電子帶正電……」
按照目前解釋微觀世界最好的理論模型,宇宙大爆炸時,同時產生了物質和反物質。今天,NASA的天文學家們也觀察到,在遙遠的宇宙區域———也就是我們所能看到的早期的宇宙,似乎存在物質和反物質碰撞後產生的伽瑪射線蹤跡。不過今天的宇宙卻是由物質而非反物質組成的。「自然選擇了物質,反物質似乎消失了。沒有人知道為什麼。」
宏觀世界中,很多東西都是對稱的。微觀世界也是這樣。在「標準模型」中,有著一個對稱定律,認為量子場論方程所有允許的解,都依據這個對稱定律,物質所遵循的物理法則,反物質也同樣遵循。這個對稱定律由三個字母組成:C、P、T,它們意味著三方面的對稱:電荷共軛變換、宇稱(左右)、時間反演。在隨後的歲月中,不少物理學家們靠研究對稱性問題拿下了諾貝爾獎。其中很多人研究的是「對稱破壞」,即在一些物理過程中,一些對稱性(特別是C和P的對稱)被破壞了。
「CP對稱破壞」是描述今天宇宙中物質數量超過反物質的重要解釋之一。目前,有很多科學實驗都在對這個現象進行驗證,希望通過反物質研究瞭解到對稱性定律及標準模型的有效性。
最冷的反物質
LHC的四大探測器之一LHCb研究的主要就是反物質和對稱性問題。但ALPHA實驗卻和LHC幾乎沒關係,和LHCb的實驗目的和方法也截然不同。在這裡科學家們同樣選擇了氫,氫原子和反氫原子都只有一個質子和一個電子,結構非常簡單。
兩個反氫原子的原料分別是這麼製作的,將定向質子束射向一小片銥,高能碰撞會生成反質子,再加以分階段冷卻。由放射性鈉衰變產生正電子也加以冷卻。「我們借用了對撞機中產生的反氫質子,所以我們還是依附於CERN的實驗。但設備和實驗都是我們自己設計。」傑弗瑞告訴本報記者。
在ALPHA並不大的實驗室裡,層層的管道連到磁場上方的探測器。在這裡工作的科學家設計了一個改變速度的設備。它並不是另一個加速器,而是一個減速器。科學家將已有的反質子和正電子放在一起,令其生成反氫原子,然後讓它逐漸減速,以便在一個像浴缸一樣的磁場中將其「捕獲」。
反物質無法與物質共存,因為兩者一旦接觸,便會同時消失並轉化為能量,轉化的能量形式如光子,這個過程用術語叫做「湮滅」。該過程產生的能量十分巨大。
ALPHA的實驗結果卻跨過了這個門檻。首先,實驗必須在真空中進行,科學家設計了一個真空管道,排除了絕大部分的空氣物質。反氫原子是中性的,沒法通過電荷來捕獲,怎麼逮住它呢?傑弗瑞介紹,儘管電中性,反氫原子還是帶有微弱的磁場,可以對磁場做出反應。
在熱力學上,溫度體現的是物質粒子的動能。理論上說,如果物質粒子達到絕對零度時,它應該完全靜止。所以,溫度越低,粒子的速度越慢。科學家們讓來自LHC的高能反氫質子減速冷卻,最後讓-70℃左右的反質子束和更冷的正電子束進行對撞,一些反質子和正電子結合形成了反氫原子。如果說LHC的目的是令粒子更快、更熱、更重,那這個實驗中,原子則變得更冷更慢,其中速度最慢的反原子,溫度僅有-272.5℃。
這些超級冷的反原子,最後「陷」入了一個超導磁鐵構成的「磁場缸」裡。「磁場越強,抓住的反原子也越多。」傑弗瑞說。他們共運行了335次實驗,由1000萬個反質子和7億個正電子結合。產生的反氫原子中,有38個被捕獲。
要觀察被「囚」的反物質的存在,唯一的方法就是「釋放」它。0.17秒後,科學家們關閉了磁場,反氫原子迅即與氫原子碰撞,湮滅無蹤。探測裝置及時地記錄下了這38次能量爆炸。這些爆炸都發生在反氫原子和產生磁場的缸狀容器壁上。反物質和物質湮滅後形成了新的粒子。實驗中,新產生的粒子是名為π介子的亞原子粒子。
傑弗瑞說,這是科學家第一次長時間「逮住」反物質。LHCb這樣的高能粒子實驗是沒法捕捉反物質的,因為高能量的反粒子會迅速與實驗設備相撞而消失,唯一能困住的,是低能、寒冷、運動緩慢的反粒子。
反物質不會炸毀地球
在高能物理的反物質實驗如LHCb,主要的實驗目的是尋找宇宙初期為何物質戰勝了反物質而存在。另一些反物質實驗,如CERN的另一實驗ATHENA,主要研究反物質和引力的關係,而ALPHA的主要目的是研究標準模型是否能夠同樣作用於反物質。
標準模型認為,反物質和物質遵循一樣的物理原則,比如反粒子應該和對應的粒子一樣能夠吸收同樣的光的顏色。因此,此次科學小組用激光照在反物質上,準備探究其是否和對應的物質一樣吸收同樣的光波。
「到目前為止,在量子層面上,‘CPT對稱定律’都表現得很好。但對於反物質,人們從來沒有在原子核層面測量過其對稱問題。」傑弗瑞說,「我們不知道為什麼自然選擇了物質而不是反物質,也不知道標準模型是否能夠應用在反物質系統,或許標準模型能夠在反物質中被證實,或許我們會尋找到驚喜,因為我們不知道物理會往哪兒走。」
捕捉反物質的技術正在突飛猛進。傑弗瑞表示,明年年初,他們將能夠捕獲更多的反原子。CERN的另一個實驗項目ASACUSA,最近也在他們實驗的基礎上,通過新技術,將反氫原子引導到一個真空管中研究飛行速度。這個實驗的目的是製造足夠多的反物質,研究其運動行為。
即使這樣,反物質的取得基本上還是只存在於實驗室。79年前,狄拉克第一次提出了反物質的想法,這個名字就開始進入科幻小說。15年前,科學家製造出了反物質,但直到今天,人們才第一次較長時間捕捉到了反物質。雖然動用了大量昂貴的超導磁鐵,科學家也只逮住38個反氫原子,技術之艱難可見一斑。因此,對於媒體與文藝作品描述的,將反物質作用於航空、軍事等領域的設想,傑弗瑞表示這完全是天方夜譚,離科學現實還遠得很。
「要造出《星際迷航》或者《天使與魔鬼》中所描述的那麼多反物質,我們所需要的時間甚至會超過宇宙的壽命。而且,為製造它們而消耗的能量要比它們最後產生的能量還要大。」他補充說,在小說《天使與魔鬼》中,就提到了ALPHA實驗使用的低能反物質。在拍攝同名電影的時候,導演曾來CERN諮詢相關科學細節,但最終還是為了保證良好的視覺效果,將故事嫁接在了LHC上———實際上,LHC是根本無法保留住反物質的。
另一方面,反物質研究可以推動技術進步。今天,反物質已經在醫學上的正子放射斷層掃瞄器(PET)中發揮作用。但真正研究反物質的目的,還在於科學追求真理的本質。「人類的好奇心永遠無止境,我們想要知道宇宙爆炸時到底發生了什麼。」傑弗瑞說。
来源:新京報
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