科学家首次长时间捕捉到反物质(组图)

2010-12-19 21:19

ALPHA实验室全景。图/CERN

反氢原子示意图。图/CERN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诺贝尔奖。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瞭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。

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谘询相关科学细节，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瞄仪(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。