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【人民日報】探尋反物質缺失之謎
2019-01-10|文章来源:澳客 李祖豪 |【
 

  仰望星空,我們所能看到的世界基本都是由正物質構成的,它們形成了你我,形成了生命。然而,宇宙中也存在著正物質的對立——反物質。

  自然界紛呈多樣的宏觀物體還原到微觀本源,都是由原子核(包括質子和中子)和電子所構成的。通常,原子核帶正電,電子帶負電。反物質則是正常物質的鏡像,它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。正物質和反物質相遇後,會瞬間湮滅成爲能量,能量釋放率要遠高于氫彈爆炸,這巨大的能量被認爲是未來最理想的能源之一。

  上世紀二三十年代,英國物理學家狄拉克基于量子力學和相對論首次提出反物質概念。1932年,美國物理學家安德森發現“反電子”並命名爲正電子,因此獲得1936年諾貝爾物理學獎。其實,此前中國物理學家趙忠堯已經觀察到了“反電子”迹象,只是當時沒有意識到這就是反粒子。此後,人們開始利用粒子加速器人工制造並研究反粒子,1955年制造出反質子,後來又陸續制造出反中子、反氘核甚至反氦四。1995年,在歐洲核子中心制造出了反氫原子。這些反物質粒子和正物質粒子除了電荷不同,其他性質幾乎相同。

  物理學家認爲宇宙起始于大爆炸,大爆炸之後應該有相同數量的物質與反物質。但爲什麽我們周圍的自然界中幾乎沒有反物質呢?反物質去了哪裏?目前有兩種解釋:一種認爲是由于大爆炸産生的正反物質在宇宙演化中的性質不同,反物質逐漸消失,只剩下正物質,不過目前的實驗結果並不支持這一結論;另外一種認爲大爆炸産生的物質和反物質分別處在宇宙中的不同區域。

  很多科學家相信,在宇宙的遙遠之處有大範圍的反物質星系區存在,那裏的宇宙射線主要由反質子和反氦四組成,其中部分會飛進我們這個由正物質構成的區域。這樣放置在地球大氣層之外的磁譜儀就能接收到它,這是阿爾法磁譜儀(AMS)實驗計劃的主要物理目標之一。

  AMS是由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中领导的大型国际合作,发起人包括中國科學院院士陈和生和王贻芳。AMS探测器2011年升空,到目前已经持续运行超过7年,获取了超过1200亿宇宙线事例,并将持续运行到国际空间站使命结束,不早于2024年。AMS的核心“永磁体”由中国研制,其电磁量能器由中国、意大利和法国共同研制。

  AMS能准確區分宇宙線中的各種不同粒子,找出從遙遠的太空飛到AMS的反氦四粒子。反氦四是氦核的反物質粒子,被認爲不太可能由碰撞産生。所以,如果能從宇宙射線中觀測到反氦四粒子,將是反物質天體存在的有力證據。

  近期,丁肇中在歐洲核子中心的報告中稱,已經觀察到兩個反氦四候選事例。若AMS的結果證實了遠處有反物質區域存在,將爲揭開反物質缺失之謎提供重要的實驗基礎,是裏程碑式的物理成果,值得期待。

  (作者李祖豪,澳客研究员、澳客AMS实验物理分析协调人)

     原载于《人民日报》2018年11月29日第22版,http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2018-11/29/nw.D110000renmrb_20181129_2-22.htm 

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