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【亲历“世界最大科学实验”】1 抓住“反物质”  

2010-12-22 11:14:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【亲历“世界最大科学实验”】 之 新发现

CERN科学家捕获反氢原子
抓住“反物质”

【亲历“世界最大科学实验”】1 抓住“反物质” - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
反氢原子示意图。图/CERN

欧洲核子研究中心(CERN)是一个庞大的科研机构,除了LHC的相关实验之外,还有上百个实验在同时进行,而大部分的实验,最终的目的都是一个:解开宇宙起源之谜。我们知道建造LHC的最主要目的是为了寻找闻名却未见的希格斯子,但CERN还有很多其他的事情要做。比如说按照现行理论,宇宙大爆炸时同时出现了物质和反物质,但是两者却无法共存,但为什么今天的宇宙只有物质但没有反物质呢?反物质到底是什么东西?随着技术的进步,这也成了物理界越来越引人注意的话题。

11月底,CERN发布的一个突破性消息引起了人们的广泛关注。反氢激光物理设备(ALPHA)坐落于CERN的主楼群,仅有40位科学家为此工作。正是他们首次长时间捕捉到了反物质。尽管这个发现借用了LHC的成果,但其实验和LHC的思想完全相反,不是加速,而是“减速”。

对称定律解释世界

和其它物理界的发现一样,反物质首先也是“思想实验”。早在79年前,英国物理学家狄拉克就试图把量子理论和狭义相对论结合在一起。这是两个互不兼容的基本物理理论。狄拉克发现,反物质必定存在。1932年,人们在实验中寻找到了狄拉克设想的正电子,其质量、带电量与电子完全相同,只不过它带的是正电(电子带负电荷)。

随后,人们逐渐发现了各种基本粒子对应的反物质。“反物质就像是物质在镜子中的像。它和对应基本粒子的质量完全一样,却具有相反的其他量子性质。”ALPHA实验发言人杰弗瑞(Jeffrey Hangst)在接受本报记者采访时说,“质子带正电,反质子带负电;电子带负电,正电子带正电……”

按照目前解释微观世界最好的理论模型,宇宙大爆炸时,同时产生了物质和反物质。今天,NASA的天文学家们也观察到,在遥远的宇宙区域———也就是我们所能看到的早期的宇宙,似乎存在物质和反物质碰撞后产生的伽玛射线踪迹。不过今天的宇宙却是由物质而非反物质组成的。“自然选择了物质,反物质似乎消失了。没有人知道为什么。”

宏观世界中,很多东西都是对称的。微观世界也是这样。在“标准模型”中,有着一个对称定律,认为量子场论方程所有允许的解,都依据这个对称定律,物质所遵循的物理法则,反物质也同样遵循。这个对称定律由三个字母组成:C、P、T,它们意味着三方面的对称:电荷共轭变换、宇称(左右)、时间反演。在随后的岁月中,不少物理学家们靠研究对称性问题拿下了nbl奖。其中很多人研究的是“对称破坏”,即在一些物理过程中,一些对称性(特别是C和P的对称)被破坏了。

“CP对称破坏”是描述今天宇宙中物质数量超过反物质的重要解释之一。目前,有很多科学实验都在对这个现象进行验证,希望通过反物质研究了解到对称性定律及标准模型的有效性。

最冷的反物质

LHC的四大探测器之一LHCb研究的主要就是反物质和对称性问题。但ALPHA实验却和LHC几乎没关系,和LHCb的实验目的和方法也截然不同。在这里科学家们同样选择了氢,氢原子和反氢原子都只有一个质子和一个电子,结构非常简单。

两个反氢原子的原料分别是这么制作的,将定向质子束射向一小片铱,高能碰撞会生成反质子,再加以分阶段冷却。由放射性钠衰变产生正电子也加以冷却。“我们借用了对撞机中产生的反氢质子,所以我们还是依附于CERN的实验。但设备和实验都是我们自己设计。”杰弗瑞告诉本报记者。

【亲历“世界最大科学实验”】1 抓住“反物质” - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
ALPHA实验室全景。图/CERN

在ALPHA 并不大的实验室里,层层的管道连到磁场上方的探测器。在这里工作的科学家设计了一个改变速度的设备。它并不是另一个加速器,而是一个减速器。科学家将已有的反质子和正电子放在一起,令其生成反氢原子,然后让它逐渐减速,以便在一个像浴缸一样的磁场中将其“捕获”。

反物质无法与物质共存,因为两者一旦接触,便会同时消失并转化为能量,转化的能量形式如光子,这个过程用术语叫做“湮灭”。该过程产生的能量十分巨大。

ALPHA的实验结果却跨过了这个门槛。首先,实验必须在真空中进行,科学家设计了一个真空管道,排除了绝大部分的空气物质。反氢原子是中性的,没法通过电荷来捕获,怎么逮住它呢?杰弗瑞介绍,尽管电中性,反氢原子还是带有微弱的磁场,可以对磁场做出反应。

在热力学上,温度体现的是物质粒子的动能。理论上说,如果物质粒子达到绝对零度时,它应该完全静止。所以,温度越低,粒子的速度越慢。科学家们让来自 LHC的高能反氢质子减速冷却,最后让-70℃左右的反质子束和更冷的正电子束进行对撞,一些反质子和正电子结合形成了反氢原子。如果说LHC的目的是令粒子更快、更热、更重,那这个实验中,原子则变得更冷更慢,其中速度最慢的反原子,温度仅有-272.5℃。

这些超级冷的反原子,最后“陷”入了一个超导磁铁构成的“磁场缸”里。“磁场越强,抓住的反原子也越多。”杰弗瑞说。他们共运行了335次实验,由1000万个反质子和7亿个正电子结合。产生的反氢原子中,有38个被捕获。

要观察被“囚”的反物质的存在,唯一的方法就是“释放”它。0.17秒后,科学家们关闭了磁场,反氢原子迅即与氢原子碰撞,湮灭无踪。探测装置及时地记录下了这38次能量爆炸。这些爆炸都发生在反氢原子和产生磁场的缸状容器壁上。反物质和物质湮灭后形成了新的粒子。实验中,新产生的粒子是名为π介子的亚原子粒子。

杰弗瑞说,这是科学家第一次长时间“逮住”反物质。LHCb这样的高能粒子实验是没法捕捉反物质的,因为高能量的反粒子会迅速与实验设备相撞而消失,唯一能困住的,是低能、寒冷、运动缓慢的反粒子。

反物质不会炸毁地球

在高能物理的反物质实验如LHCb,主要的实验目的是寻找宇宙初期为何物质战胜了反物质而存在。另一些反物质实验,如CERN的另一实验ATHENA,主要研究反物质和引力的关系,而ALPHA的主要目的是研究标准模型是否能够同样作用于反物质。

标准模型认为,反物质和物质遵循一样的物理原则,比如反粒子应该和对应的粒子一样能够吸收同样的光的颜色。因此,此次科学小组用激光照在反物质上,准备探究其是否和对应的物质一样吸收同样的光波。

 “到目前为止,在量子层面上,‘CPT对称定律’都表现得很好。但对于反物质,人们从来没有在原子核层面测量过其对称问题。”杰弗瑞说,“我们不知道为什么自然选择了物质而不是反物质,也不知道标准模型是否能够应用在反物质系统,或许标准模型能够在反物质中被证实,或许我们会寻找到惊喜,因为我们不知道物理会往哪儿走。”

捕捉反物质的技术正在突飞猛进。杰弗瑞表示,明年年初,他们将能够捕获更多的反原子。CERN的另一个实验项目ASACUSA,最近也在他们实验的基础上,通过新技术,将反氢原子引导到一个真空管中研究飞行速度。这个实验的目的是制造足够多的反物质,研究其运动行为。

即使这样,反物质的取得基本上还是只存在于实验室。79年前,狄拉克第一次提出了反物质的想法,这个名字就开始进入科幻小说。15年前,科学家制造出了反物质,但直到今天,人们才第一次较长时间捕捉到了反物质。虽然动用了大量昂贵的超导磁铁,科学家也只逮住38个反氢原子,技术之艰难可见一斑。因此,对于媒体与文艺作品描述的,将反物质作用于航空、军事等领域的设想,杰弗瑞表示这完全是天方夜谭,离科学现实还远得很。

“要造出《星际迷航》或者《天使与魔鬼》中所描述的那么多反物质,我们所需要的时间甚至会超过宇宙的寿命。而且,为制造它们而消耗的能量要比它们最后产生的能量还要大。”他补充说,在小说《天使与魔鬼》中,就提到了ALPHA实验使用的低能反物质。在拍摄同名电影的时候,导演曾来CERN咨询相关科学细节,但最终还是为了保证良好的视觉效果,将故事嫁接在了LHC上———实际上,LHC是根本无法保留住反物质的。

另一方面,反物质研究可以推动技术进步。今天,反物质已经在医学上的正子放射断层扫描仪(PET)中发挥作用。但真正研究反物质的目的,还在于科学追求真理的本质。“人类的好奇心永远无止境,我们想要知道宇宙爆炸时到底发生了什么。”杰弗瑞说。

本版采写/本报记者 金煜
本版图片均为CERN图

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