反質(zhì)子（塞格雷、張伯倫發(fā)現(xiàn)的復(fù)合粒子）
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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(shí)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(shí)它的存在卻花了20多年的時(shí)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(duì)出現(xiàn)或湮沒(méi)，用兩個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)了前一年人們所觀測(cè)的反質(zhì)子的存在。由于反質(zhì)子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)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(shí)反質(zhì)子的存在極為困難。1955年他們這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組測(cè)到60個(gè)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(shí)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(lái)。他們是利用反質(zhì)子與原子核碰撞，反質(zhì)子把自己的負(fù)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(fù)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(guò)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(jiǎng)。
由于這些粒子在與質(zhì)子撞擊時(shí)會(huì)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(wàn)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(guò)在CERN實(shí)驗(yàn)室作出的研究中，他們以同步加速器把質(zhì)子加速至達(dá)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(jiǎng)情況
魯比亞，C.在正反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行幾百吉電子伏的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，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(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。
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(guò)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(jiǎng)。
試驗(yàn)
首次探測(cè)
2011年08月09日據(jù)BBC報(bào)道，科學(xué)家首次探測(cè)到一條由反質(zhì)子粒子構(gòu)成的狹長(zhǎng)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(bào)》(Astrophysical Journal Letters)，文獻(xiàn)證實(shí)了此前地球的磁場(chǎng)能夠俘獲反物質(zhì)粒子的理論工作。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)表示，在范艾倫輻射帶的兩個(gè)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為這些反質(zhì)子能為未來(lái)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(shí)別出了這些反質(zhì)子粒子，它的使命是研究來(lái)自太陽(yáng)系以及太陽(yáng)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(gè)甜甜圈形狀的輻射區(qū)正是地球磁場(chǎng)俘獲反質(zhì)子粒子的區(qū)域。當(dāng)Pamela衛(wèi)星經(jīng)過(guò)南大西洋異常區(qū)的上空時(shí)，探測(cè)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(tuán)隊(duì)認(rèn)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(jiàn)。
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(shí)了之前的理論預(yù)測(cè)，即地球附近確實(shí)存在反物質(zhì)帶。而這些反物質(zhì)與常規(guī)物質(zhì)相遇時(shí)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(dòng)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(fù)電荷。壽命也與質(zhì)子相當(dāng)。一個(gè)反質(zhì)子是由兩個(gè)上反夸克及一個(gè)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(huì)發(fā)生湮滅的現(xiàn)象，并且轉(zhuǎn)化為能量，是故反質(zhì)子無(wú)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(cè),如果在核中存在著反質(zhì)子束縛態(tài),由于平均場(chǎng)是深位阱和吸收型,將會(huì)使低能級(jí)的結(jié)合能很大和能級(jí)寬度很寬,如幾十Mev,使得能級(jí)不易分辨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由于必需扣除準(zhǔn)自由敲出反應(yīng)、統(tǒng)計(jì)蒸發(fā)的背景,實(shí)驗(yàn)數(shù)值還不足以說(shuō)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(qiáng)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(jìn)入一個(gè)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(guò)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(méi)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(jí)距離，反質(zhì)子與原子核的散射進(jìn)入到可以區(qū)分不同末態(tài)道的過(guò)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(shí)證明核的反物質(zhì)本性更難捉摸。用狄拉克的話說(shuō)，輻射量子必須有足夠的能量才能從負(fù)能態(tài)“?！敝型诔鲆粋€(gè)粒子。這種觀點(diǎn)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(duì)。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,輻射量子必須提供單個(gè)粒子或反粒子的兩倍的質(zhì)量。當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的宇宙線量子只能形成兩個(gè)電子的質(zhì)量,而形成一個(gè)質(zhì)子一反質(zhì)子對(duì)，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(bào)告，可這些結(jié)果都缺乏說(shuō)服力。
1954年,當(dāng)時(shí)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(yùn)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(zhǔn)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(jì)能量值,以越過(guò)反質(zhì)子的壁壘。但安德森先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)表明,要區(qū)分沿某一方向運(yùn)動(dòng)的正電子與沿另一方向運(yùn)動(dòng)的電子相當(dāng)困難。而新加速器產(chǎn)生的每100萬(wàn)個(gè)質(zhì)子中只有一個(gè)能產(chǎn)生反質(zhì)子，余下的會(huì)變成其他粒子。為了把寶貴的反質(zhì)子精華提取出來(lái),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(guò)磁場(chǎng)時(shí)按其各自不同的能量區(qū)分開。就像安德森曾借助在磁場(chǎng)中徑跡的彎曲來(lái)區(qū)分快正電子和慢正電子那樣，該實(shí)驗(yàn)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(fù)電荷的粒子束。為了辨認(rèn)反質(zhì)子，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了粒子經(jīng)過(guò)相距12米的兩塊磁透鏡的時(shí)間。這臺(tái)新加速器產(chǎn)生的大多數(shù)亞核粒子幾乎都以光速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)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(méi)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(guò)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?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的速度濾光器,即用一個(gè)圓柱形鏡子來(lái)保證只有對(duì)應(yīng)于反質(zhì)子的光才被反射到其焦點(diǎn)上，并由一個(gè)光放大器來(lái)拾取。
1955年，加速器的能量達(dá)到了反質(zhì)子的闌值,使反質(zhì)子的檢測(cè)成為可能。為了檢測(cè)到反質(zhì)子,他們把檢測(cè)系統(tǒng)的電子學(xué)線路設(shè)定為在加速器能量達(dá)到閡值后51納秒時(shí)才“開始啟動(dòng)”,并由切連科夫光放大器記錄光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)開始后,四位實(shí)驗(yàn)人員急切地注視著示波器。起初,什么也沒(méi)發(fā)生。他們想也許是什么地方有差錯(cuò)而影響了這個(gè)精致的設(shè)備,于是掉轉(zhuǎn)了磁棱鏡的磁場(chǎng),這樣就使該儀器對(duì)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(hào)?？墒?他們?nèi)詻](méi)有得到質(zhì)子計(jì)數(shù)。于是他們檢查了計(jì)算,果然發(fā)現(xiàn)在磁棱鏡中有一個(gè)錯(cuò)誤設(shè)置。改正之后,他們先從質(zhì)子的檢測(cè)開始，看到大量質(zhì)子計(jì)數(shù)后才把磁場(chǎng)重新掉轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)檢測(cè)反質(zhì)子。不久,第一個(gè)反質(zhì)子計(jì)數(shù)就出現(xiàn)了。該實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行了三個(gè)月，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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(rèn)存在反質(zhì)子的人只好認(rèn)輸。反質(zhì)子一經(jīng)發(fā)現(xiàn),馬上就成了下一個(gè)反粒子的踏腳石。
1957年，伯克利的庫(kù)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(wú)法直接探測(cè)到，只能通過(guò)其相互作用間接進(jìn)行,因而更難探測(cè)。庫(kù)克等人控制好反質(zhì)子,并把它們發(fā)射到被液體浸沒(méi)的發(fā)光材料中；然后他們讓帶電粒子探測(cè)器自動(dòng)記下是否有帶電粒子通過(guò);；最后束流遇到切連科夫計(jì)數(shù)器的玻璃片。實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)了74個(gè)事例(即能表征有反中子通過(guò)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(méi)有帶電粒子通過(guò)帶電粒子探測(cè)器,可切連科夫計(jì)數(shù)器卻檢測(cè)到了相互作用的結(jié)果。他們認(rèn)為，反質(zhì)子在第一個(gè)靶上失去了電荷，轉(zhuǎn)變?yōu)榉粗凶?，因而在通過(guò)帶電粒子探測(cè)器時(shí)就看不到,直到反中子進(jìn)入切連科夫玻璃的原子核中與一個(gè)亞核粒子湮沒(méi)并發(fā)出亞核碎片的特征光時(shí)才可見(jiàn)。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(jiǎn)單的,它由單個(gè)電子繞一個(gè)質(zhì)子作軌道運(yùn)動(dòng)形成?？稍谧匀唤缰?每一萬(wàn)個(gè)氫原子中就有一個(gè)是不同的，在它的核中雖仍只有一個(gè)質(zhì)子(否則就不再是氫了)，可它還有一個(gè)額外的中子與質(zhì)子緊緊地束縛在一起。由于它有兩個(gè)單位的原子量，這種“重氫”被稱為氘,質(zhì)子一中子對(duì)核這個(gè)最簡(jiǎn)單的復(fù)合核被稱為氘核。齊基基在用高度提純的帶負(fù)電粒子束來(lái)增進(jìn)反質(zhì)子的供給時(shí)發(fā)現(xiàn)了反氘核，它由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)反中子組成，像普通原子核一樣穩(wěn)定。事實(shí)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?yàn)榘奄|(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(duì)稱性，也就是說(shuō)，一對(duì)粒子之間的作用力與一對(duì)相應(yīng)的反粒子之間的作用力完全相等。但從實(shí)驗(yàn)上看,在地球上乃至宇宙中想找到天然的反元素幾乎沒(méi)有先例，于是只好借助加速器來(lái)人工制造反核素和反元素。
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