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生命、宇宙、万物的终极答案是反物质?

原理  · 公众号  · 科学  · 2017-09-09 20:14

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几十年来,科学家一直在努力稳定反质子和由反质子构建的反氢原子足够长时间以作研究。过去几年出现了飞跃性的进展:实验人员现在可以控制足够多的反粒子来开始认真探测反物质,并对其基本性质和内部结构进行越来越精确的测量。 名为ALPHA的实验的领导人Jeffrey Hangst表示,至少理论上,他的团队现在可以像做氢原子实验一样对反氢原子做同样的实验。“对我来说,目前的成果便是我25年来所一直追求的,”他说。


这些实验任重道远: 物质和反物质的性质之间哪怕极小的差异也可以解释任何事物存在的原因。就物理学家所知,在宇宙形成初期,应该有等量的物质和反物质被创造出来,照理来说两者相互冲击湮灭抵消。但这并没有发生,目前不平衡状态的起源仍然是物理学中最大的谜题之一。


CERN的努力不太可能在短时间内攻克这个难题。迄今反物质已被证明与物质惊人得相似,许多物理学家认为这个结论不会被改变,因为 任何差异都会撼动现代物理学的根基 。但是,这六项实验 (它们是CERN在30多年前启动的一系列研究中最新的一组) 引起了人们的关注,因为LHC在继续寻找可以解释反物质悖论的粒子上一无所获。


此外,团队在操控反物质方面的飞跃进展已经为他们赢得了对该机构的反质子工厂的重大升级 ——一个最前沿的减速器,它将在今年年底前开始运行,并最终能使实验处理比现在多100倍的粒子 (见' 减速器 ')

(图片来源:CERN)

数十名从事CERN实验的物理学家知道他们面临着艰巨的挑战。反物质相关的实验非常难做,团队之间的竞争很激烈,发现新结果的可能性却又似乎很小。 但是,CERN的反物质研究者为最终打开宇宙研究的新窗口这一激动人心的可能结果奋斗不息。“这是实验上的一项壮举,无论你得到什么答案,你都可以为此感到自豪,”Hangst说。反物质研究并不一定会产生重大发现。但是,“如果你努力得到了一些结果”,他说,“不去进一步研究它简直是犯罪!”



物质的事实

反物质物理学的根源可以追溯到1928年 ,当时英国物理学家保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 写了一个描述电子以接近光速的速度运动的方程。狄拉克认识到,他的方程必须有正值解和负值解。他后来将这件数学怪事解释为对反电子——现在被称为正电子 ——存在的暗示,并且得出每个粒子都应该存在对应反物质的理论。


实验物理学家卡尔·安德森 (Carl Anderson) 在1932年证实了正电子的存在,当时他发现一个疑似电子的粒子,但是当它穿过磁场时轨迹向相反的方向弯曲。物理学家很快就意识到,正电子经常在碰撞中产生:当用足够的能量粉碎粒子时,其中一些能量就可以变成一对物质–反物质。


到20世纪50年代,研究人员开始在粒子转换中使用这种能量并生产反质子。但是,人们花了几十年的时间才找到能够产生足够多的反质子的方法以用于捕捉和研究。 其中一个研究动机非常令人心动——将反质子和正电子配对来制造反氢,然后与已经被充分研究的氢原子进行比较 (参见“ 争辩反物质 ”)

(图片来源: CERN)

生产正电子的过程直截了当。这些粒子在某些类型的放射性衰变中产生,并且可以直接被电场和磁场捕获。但是质量更大的反质子就是另一回事了。 反质子可以通过质子撞击致密金属产生,但是这种碰撞中产生的反质子移动太快而无法被电磁阱束缚住。


反物质寻求者需要一种大规模减慢或冷却粒子的方式。CERN对减速和储存反物质的尝试始于1982年,用的是低能反质子环 (LEAR)







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