科學家首次長時間捕捉到反物質(組圖)

2010-12-19 21:19

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。