阿尔法磁谱仪与暗物质

阿尔法磁谱仪与暗物质

作者：佚名 辅导来源：本站原创 点击数： 357 更新时间：2007-2-16

一、阿尔法磁谱仪 1、阿尔法磁谱仪简介 阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，简称AMS）是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪，于1998年6月2日—12日由美国发现号航天飞机搭载，成功地进行了首次飞行，并将于2003年送到阿尔法国际空间站上运行3到5年．阿尔法磁谱仪是丁肇中教授领导下的一个大型的国际合作科学实验项目．这项雄心勃勃的研究计划的主要目标是寻找太空中的反物质和暗物质，探索天体物理、粒子物理和宇宙论的重大疑难问题．包括美国、中国、俄国、意大利、瑞士、德国、芬兰等10多个国家和地区的37个研究机构的物理学家和工程师参加了这个计划．中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院等单位参加了这项重大的国际科学研究的合作项目，并在其中发挥了关键的作用．下图即为阿尔法磁谱仪的近照。 2、阿尔法磁谱仪的物理目标 阿尔法磁谱仪实验包括三大主要物理目标，它们反映了当今物理学和天体物理学最重要的基础理论之谜．这三大物理目标分别是：寻找宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核来确定宇宙中是否存在反物质；寻找宇宙中可能存在的暗物质；精确测量宇宙中各种同位素的丰度和高能γ，并探索未知的物理现象． 微观世界的粒子都存在相对应的反粒子，反粒子具有和粒子完全相同的质量和相反的电磁性质．反粒子由狄拉克预言，1932年在实验中首先发现了电子的反粒子——正电子．组成我们周围世界的物质的原子核是由质子和中子组成，带正电．所谓反物质，它的原子核是由反质子和反中子组成，带负电荷． 宇宙中是否存在反物质是科学的一大难题．根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约在150亿年前的大爆炸产生的．大爆炸后，宇宙在不断地膨胀和冷却．大量的天文学观察和天体物理实验结果支持了这个理论．然而根据粒子物理理论，大爆炸理应产生同样数量的物质和反物质．迄今

为止，所有的实验都没有在宇宙中观察到反物质的存在．宇宙中究竟是否存在反物质？这是目前粒子物理学家和天体物理学家关注的焦点之一．探测反物质的关键是必须把包括一个强有力的磁铁的探测器送入太空以测量宇宙中的原子核的电荷．几十年来，物理学家提出过各种方案企图将磁谱仪送入太空，但由于无法制造一个可以在太空运行的磁铁而未能如愿．中科院电工所利用多年来在研究核磁共振永磁体方面取得的丰富经验，提出了完全利用钕铁硼永磁材料的独特设计方案．它的磁场强，漏磁非常小，磁二极矩几乎为零，完全能满足AMS实验在空间运行的要求．丁肇中教授采用了电工所的设计方案．中国科学家和工程师研制出了人类送入太空的第一个磁铁，使物理学家几十年来的梦想成为现实． 当今天体物理和宇宙论的另一大难题是寻找暗物质．天文学的观察和研究发现宇宙中90％的物质无法用光学的方法探测到．天文学上把宇宙中用光学方法看不到的物质称做暗物质，暗物质的起源和组成长期以来一直是一个

谜．超对称理论支持这样的观点，即暗物质是由弱作用荷粒子（Weakly Interacting

MassiveParticles，简称WIMPs）组成的．这一理论可以用直接测量银河系环中的WIMP’s的湮灭产物来验证．当暗物质粒子和反粒子湮灭时会产生质子反质子对、正负电子对和γ．AMS能精确地测量反质子能谱、正电子能谱以及高能γ谱．因此AMS将为解开困扰物理学家数十年的暗物质之谜提供非常重要的信息，进而有可能给出这一极富挑战性的重大疑难问题的答案． 阿尔法磁谱仪能对宇宙线进行非常精确的测量并由此产生许多新的有意义的物理信息．宇宙线即来自太空的高能粒子，它们在大气层顶部产生簇射并击中地球．这些高能原子核已由无数的地面实验和大气实验进行了长期的研究．与这些实验不同，AMS将运行在离地面三百多公里的太空中，从而能够探测到未和大气原子发生碰撞的原始的宇宙线．AMS将测量不同同位素的比例，如铍－10和铍－9丰度比．由于铍-10的半衰期约为100万年，如果丰度比高则说明绝大部分宇宙线很年轻，小于100万年，如果丰度比低则说明铍－10在宇宙中飞行过程中大部分已发生衰变．AMS能够对铍－10和铍－9丰度比进行高统计量高精度的分析，从而高精度地确定宇宙线在银河系中的禁闭时间，确定宇宙线穿过的天体物质的平均密度，从而确定宇宙线在银河系环中滞留的时间． 阿尔法磁谱仪还能对宇宙中其他各种同位素的相对丰度进行精确的测量．这些测量结果将会回答宇宙论和天体物理学中的许多重大问题．作为人类送入太空的第一个磁谱仪，这个实验很可能会有意外的重大发现．因此，阿尔法磁谱仪引起了世界各国科学家的极大兴趣．它是目前在阿尔法空间站上计划的唯一的大型科学实验． 3、阿尔法磁谱仪的结构 阿尔法磁谱仪由永磁体和一组精密探测器两部分组成．图1显示阿尔法磁谱仪的内部结构．在永磁体产生的磁场中，带正电的粒子（正物质）向一个方向偏转，而带负电的粒子（反物质）向另一个方向偏转．永磁体内部的精密探测器测量粒子的动量、速度、电荷及粒子穿过探测器时的位置，从而鉴别出粒子的类型．实现AMS科学目标的关键是一个能在宇宙空间条件下运行的强磁体，以区分带电粒子的电荷的符号，精确测量它们的动量，并配合其他测量，识别粒子种类．能在空间条件下运行的大型磁体必须满足以下基本条件： ●功率消耗低，不能高于数百瓦． ●漏磁必须非常小，不影响航天飞机和空间站上各种仪器设备的正常运行． ●磁二极矩必须非常小，不致于在地球磁场下产生转动． ●能经受航天

飞机起飞和着陆时的剧烈振动和巨大的加速

度． 过去数十年来，物理学家一直期望能将磁谱仪送入宇宙空间，提出多种方案，但由于无法造出满足上述条件的磁铁而无法实现．中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭计术研究院设计和研制了AMS永磁体系统，并成功地进行了各项空间环境模拟试验，成功地研制出了人类送入宇宙空间地第一个大型磁体系统，完全符合美国宇航局的各项要求．这个大型磁体系统包括永磁体和机械结构两大部分．永磁体为圆柱形，内径1114mm高800mm，中心磁场强度为1370高斯．机械结构支撑总重量为3.2吨的AMS磁铁和所有探测仪器． AMS内部探测器由以下部分组成： （1）飞行时间计数器 飞行时间计数器由闪烁体和光电倍增管组成，在AMS的顶部和底部分别安装有两个平面，时间测量精度达一百亿分之一（10－10）秒．当粒子穿过谱仪时，飞行时间计数器记录粒子飞行的时间、距离和动量，从而确定粒子的质量．飞行时间计数器的作用为： ●当粒子穿过谱仪时提供一级触发信号； ●测量粒子的飞行速度，排斥上行（albedo）原子核； ●测量粒子的电荷量； ●提供反符合信号． （2）硅微条径迹探测器 AMS的硅微条径迹探测器由L3实验的硅微条顶点探测器发展而来，共由六层圆形双面硅微条探测器组成，放在磁场中．硅微条顶点探测器用于精确测量带电粒子的动量矢量和粒子的电荷．由于AMS是通过测量带电粒子在磁场中的偏转来确定粒子的动量的，因此要求硅微条径迹探测器对带电粒子的位置测量有很高的精度．AMS的硅微条径迹探测器的位置测量精度在偏转方向为10微米，在非偏转方向为30微米．这样的精度是前所未有的． （3）切仑可夫计数器 切仑可夫计数器的主要作用是用来区分反质子和电子，正电子和质子．AMS的切仑可夫计数器所用的介质为气凝硅胶．由于气凝硅胶的光折射率正好使高能电子在其中产生切仑可夫辐射而同时质子和反质子不会在其中发生切仑可夫辐射，原因是电子的质量轻，质子和反质子的质量很重，因此，切仑可夫计数器可以很好地将同样带负电的电子和反质子区分开． 切仑可夫计数器由两层共168块气凝硅胶组成，每块气凝硅胶为11³10cm，分别和两个光电倍增管相联用于测量切仑可夫光．切仑可夫计数器安装在AMS探测器的最底部． （4）反符合计数器 反符合计数器是由16个塑料闪烁体模块组成的桶状探测器，包围在硅微条探测器的外面．反符合计数器和飞行时间计数器配合用来排斥从AMS侧面进入或2

在探测器内产生的粒子造成的本底信号，这些本底粒子可能会在事例重建时造成混淆而将正原子核误判成反原子核．反符合计数器同时还排斥从探测器内部直接穿出AMS侧壁的粒子．反符合计数器的失效率必须小于10．中国科学院高能物理研究所承担了反符合计数器初样的设计、研制、测试和空间环境模拟试验工作，并参加了它的飞行件的设计、研制和测试． （5）触发及数据采集系统 当AMS在太空中飞行时，进入探测器的粒子多达10kHz．穿过AMS有效体积的粒子也将达到500Hz．触发系统即为了从中选出这些粒子，根据粒子的电荷作初步的分类．根据这样的分类再尽可能高效率地选出我们感兴趣的粒子并排除掉本底粒子．AMS采用了三级触发判选： ●一级触发判选利用飞行时间选择仅有一个带电粒子穿过探测器灵敏区的事例； ●二级触发判选通过检验硅微条探测器中的径迹击中点来排斥穿过带负电粒子径迹的带正电的粒子； ●三级触发判选根据电荷符号和电荷量完成事例的分类并选择需要记录下来的事例． 通过触发判选后的事例数据记录到计算机硬盘上，同时通过卫星的Ku－波段传回地面上的AMS控制中心． 4、阿尔法磁谱仪电子学软件及地面系统 为了保证AMS能够可靠地采集、传送和分析数据，AMS设计开发了一整套复杂的电子学、软件、地面支持系统．这一系统是AMS的生命线，担负监测控制探测器各部分的运行状态、从各个探测器采集数据并将数据传回地面等工作． AMS的电子学系统用来对探测器进行监视控制、数据采集和传输．这一系统由高能物理实验技术发展而来，同时又要适应太空环境要求．对其进行了严格的加速度、振动、温度变化、真空、抗辐射以及电磁干扰等试验．为了保证数据采集的可靠性，电子学系统采用了足够的冗余度． AMS的软件系统包括三部分，分别是控制软件（Onboard Software），在线软件（Onlin Software）和离线软件（Offline Software）．控制软件由监测和控制软件、数据采集软件和飞行控制软件组成．在线软件接收来自探测器各监控单元的慢数据流和探测器采集的物理数据流（快数据流）．这些数据被用来进行事例分类分析并记录下来．在线软件同时还接收来自美国宇航中心的有关飞行器位置、速度等信息的数据，这些数据将传送给控制系统对探测器进行控制调整．离线软件对从探测器采集到的物理数据进行分析处理以获得有趣的物理结果．另外，离线软件还用来对探测器进行模拟并和实验数据作比较． AMS采集的数据首先通过Ku-波段传送给数据通讯卫星，再送回地面控制中心．地面控制中心对数据进行分析处理并对AMS进行操纵．地面控制中心还和宇航控制中心保持联系． 5、阿尔法磁谱仪的首次飞行 阿尔法磁谱仪搭乘美国发现号航天飞机于1998年6月2日下午6时8分（美国东部夏令时）升空，经过10天的成功飞行，于6月12日下午安全返回肯尼迪空间中心．本期封底是从和平号空间站上拍摄的发现号航天飞机，AMS在飞机的尾部．AMS在首次飞行中工作正常，探测器在升空后3小时开始正常工作．分析表明AMS数据质量很好，能正确区分各种粒子，测量精度也达到了预期要求．AMS观测到了原初宇宙线粒子，包括质子，各种原子核，也看到了反质子．观察到的反质子并不等于观察到了反物质．反物质是指反氦核，反碳核等．反质子可能是通常宇宙线粒子碰撞产生的次级粒子． 发现号航天飞机于6月4日下午1点与和平号空间站对接，6月8日中午12点与和平号空间站分离．此期间AMS继续采集数据，没有任何影响．AMS在整个飞行过程中共获取了超过200小时的数据，约获得3亿个事例，80％左右为质子，20％左右为各种原子核． 通过对10％的数据进行的初步分析，丁肇中教授6月10日在休斯顿的记者招待会上公布了一些初步的结果，苏黎士联邦工学院的霍夫教授6月12日也在日内瓦欧洲核子中心作了AMS首次飞行的报告，公布了一些初步结果，引起物理学家的极大兴趣．中国研制的永磁体和机械结构经受了起飞和着陆的考验，工作正常，受到各国科学家的高度赞扬． 目前，AMS已从美国运回欧洲进行全面的测试．AMS的全部数据也已同四台大型计算－4

机一起运回日内瓦的欧洲核子中心进行深入的分析．中国科学院高能物理所早已建立了分析AMS数据的环境，并通过计算机网络获得数据进行分析，相信会获得重要的物理结果． 6、阿尔法磁谱仪的未来 为了准备在阿尔法空间站上长期工作，AMS将进一步改进性能，增加新的探测器．改进后的探测器预计将于2003年用航天飞机送到阿尔法国际空间站，运行3到5年，实现其寻找宇宙中的反物质和暗物质的目标，以及多项有关天体物理和宇宙论的重大物理问题的测量工作．中国科学院高能物理所的物理学家将承担如电磁量能器的研制等重要的工作以及后续的大量研究工作，为AMS物理及高能天体物理的发展作出贡献．（中国科学院高能物理研究所 北京 100039）陈和生二、阿尔法磁谱仪中的物理知识 1998年6月3日凌晨，随着白色烟柱的延伸，举世瞩目的美国“发现号”航天飞机从肯尼迪航天中心顺利发射升空． 阿尔法磁谱仪乘“发现号”航天飞机进入太空，寻找宇宙中可能存在的反物质．只要磁谱仪能发现一个反氦核，将可推断宇宙中存在反星系，发现一个反碳核，就能推断有反星球的存在，那将极大推动宇宙科学的发展． 虽然阿尔法磁谱仪的结构很复杂，任务很神秘，但它工作的基本原理却是高中物理中带电粒子在磁场中运动的知识． 阿尔法磁谱仪的核心部分是由我国科学家和工程师经4年努力研制的永磁体，直径1.2米，长0.8米，重2³10千克，它的作用是产生一个很强的磁场． 当宇宙中的带电粒子穿过这个磁场时，磁场就对它施加洛仑兹力使之发生偏转，这时，记录有关数据，再用电子计算机进行数据处理，从而确定是否有反质子、反3氦核乃至反碳核穿过． 如图1为磁谱仪的截面示意图，永磁体产生方向垂直纸面向里的磁场，图中“³”表示磁场方向，a、b、c分别为宇宙中的三个带负电、不带电、带正电的粒子．当它们以一定的速度v沿图示方向穿过磁场时，b粒子由于不带电，磁场对它没有洛仑兹力，因此b粒子不偏转而沿直线穿过磁场；带负电的a粒子穿过磁场时，磁场对它施加方向向左（根据左手定则）的洛仑兹力，它就向左偏转；而带正电的c粒子穿过磁场时，同样根据左手定则，磁场对它施加方向向右的沦仑兹力，它就向右偏转，三个粒子的运动路径如图1所示，这样只要根据粒子的偏转方向就可判断宇宙粒子的电性．当然这还无法判断带电粒子的种类，还要测出带电粒子的带电量与其质量之比，即荷质比方可确定．那么怎样确定带电粒子

的荷质比呢？大家知道，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨道公式为

只要测出偏转半径R和穿过磁场的

速率v就可计算出荷质比（磁感强度B可事先测出），而这两个物理量可利用电子计算机对带电粒子穿过磁场时所记录的数据进行处理就可获得．这样综合带电粒子的电性和荷质比就可确定在穿过阿尔法磁谱仪的带电粒子中是否有反物质了．三、探测反物质和暗物质的磁谱仪 由诺贝尔奖获得者丁肇中教授领导的空间探测反物质、暗物质的磁谱仪计划（AMS），是人类第一次用磁谱仪在太空进行物质、反物质和暗物质探测的科学实验． 寻找太空中的反物质和暗物质是目前天体物理、粒子物理和宇宙论面临的重大疑难问题．根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约在150亿年前的大爆炸产生的．大爆炸后，宇宙在不断地膨胀和冷却．大量的天文学观察和天体物理实验结果，支持了这个理论．然而根据粒子物理理论，大爆炸应产生同样

数量的物质和反物质．组成我们周围世界的物质的原子核是由质子和中子组成，带正电荷．所谓反物质，它的原子核是由反质子和反中子组成，带负电荷．迄今为止，所有的实验都没有观察到反物质的存在．探测反物质必须包括一个强磁场的磁铁探测器，来区分太空中飞行的原子核的电荷符号． 当今天体物理和宇宙论的另一大难题是寻找暗物质．天文学上把宇宙中用光学方法看不到的物质称作暗物质．但是通过分析星系的运动规律，可以推出宇宙空间物质的总量．最近，天文学的观察和研究发现：暗物质在宇宙中大约占90％．这个结论使天体物理学和粒子物理学家大为震动．这些暗物质究竟是什么？众说纷纭．而用实验寻找这些暗物质则成为当今科学的又一难题．磁谱仪能够精确测量在太空中反质子、正电子和光子的能量分布，进而有可能给这一极富挑战性的重大疑难问题以正确答案．四、暗物质研究简介 著名美籍华人科学家李政道博士在访问上海交大时指出，在世纪之交时，物理学的4个前沿领域分别是：暗物质研究、类星体和活动星系核研究、自由夸克寻找，引力与超对称．本文仅就有关暗物质研究的内容和取得的成果作一简略介绍． 1 暗物质的提出 1929年埃德温²哈勃的宇宙膨胀的发现表明，如果你把星系现在的运动往时间的过去方向倒溯，它们在一百五十亿到二百亿年前之间的某一时刻似乎它们应该重叠在一起，在这个称为大爆炸奇点的时刻，宇宙的密度和时空的曲率应为无穷大．宇宙从非常小的尺度开始膨胀，最初的膨胀称为暴涨，也就是说宇宙的尺度在比一秒还要短的时间内至少增加一百万亿亿亿倍．按照量子力学的不确定性原理，早期的宇宙不能是完全均匀一致的．其结果是在暴胀时期结束之后，留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨胀的稍慢一些．在膨胀稍慢的区域，物质的引力吸引使膨胀进一步减慢．该区域最终会停止膨胀，并且收缩形成星系和恒星．这就是关于我们的宇宙起始学说． 宇宙的未来又将是怎样的呢？物理学家在予言宇宙遥远未来时指出：宇宙的平均密度是一个关键的值．宇宙的平均密度大于某个临界值，引力吸引将使正在膨胀中的宇宙最终停止膨胀，而开始重新收缩．宇宙就会坍缩到一个大挤压，这和启始宇宙的大爆炸相当相似．大挤压是被称作奇性的一个东西，是具有无限密度的状态．反之，如果宇宙的平均密度小于该临界值，宇宙将不会坍缩，而会永远膨胀下去．其密度在一段时间之后会变得如此之低，引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应．星系间会继续以恒常速度相互离开． 我们知道，宇宙的临界密度为10

cm～103－28－30g／g／cm之间的某个值，宇宙的平均密度到底是多少？我们可以通过观测来估计宇宙3

的平均密度．我们把看得见的恒星质量和气体云的质量相加，它们的总数仅为临界值的百分之一左右．难道宇宙就永远膨胀下去了吗？不，不一定，物理学家指出，宇宙中还存在我们不能直接观测到的物质，那就是所谓的“暗物质”． 2 暗物质存在的证据 暗物质存在的第一个证据来自于螺旋星系．螺旋星系是存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体．由观测知道它们围绕着自己的中心旋转．但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体，则旋转速率就高到足以把它们甩开．事实上它们没有被甩开，而继续围绕其中心在高速旋转，因此，在螺旋星系中必然存在某种看不见的物质形式，其引力吸引足以把旋转的星系牢牢抓住，而不被甩开． 暗物质存在的另一个证据来自于星系团．我们观测到的星系在整个空间中分布得不均匀，它们成团地集中在一起，其范围从几个星系直到几百个星系．通过观测发现这些星系团中的个别星系的运动速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去．估算表明，能够把它们吸引成团所需要的质量比所有星系的总质量都要大很多，因此，在星系团中除我们观测到的星系以外必然存在另外的物质，即所谓暗物质． 人们可以对具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的质量作一个相当可靠的估算．但是这个估算值仍然只达到要使

宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右．为此，相信宇宙不会永远膨胀下去而最终会坍缩的物理学家预言还可能存在其它种类的暗物质，这些暗物质必须存在于星系和星系团之外，否则的话，我们应能觉察到它对星系旋转或星系团中星系运动的效应． 相信宇宙中还存在其它种类的暗物质的物理学家指出．如果宇宙只具有十分之一的临界密度，现已存在的宇宙就无法理解．因为如果宇宙只具有十分之一的临界密度，需要极其仔细地选取初始的密度和膨胀率．如果大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一，宇宙就会在十年后坍缩．另一方面，如果那时宇宙的密度小了同一个量，宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物．所以要理解现在存在的宇宙，宇宙的平均密度必须非常接近临界密度． 3 暗物质存在的形式 如果暴涨理论是正确的，必须存在有额外的暗物质会是什么呢？它似乎和构成恒星和行星的正常物质不同．它们可能是宇宙极早阶段的残余．基本粒子是一种可能性，最有希望的是中微子．它被认为自身没有质量，但是最近，一些观测暗示，中微子可能有小质量，如果这一点得到证实并发现具有恰好的数值，中微子就能提供足够的质量，使宇宙密度达到临界值． 黑洞是暗物质存在的另一种可能形式．在宇宙的早期可能经历过所谓的相变．在相变过程中，形成的黑洞，如果质量较小，它们由于量子力学的不确定性原理的效应，迄今已被蒸发始尽．但是，如果它们超过几十亿吨（一座山的质量）则现在仍然存在，并且很难被探测到．黑洞存在的证据已见报导．由美日天文学家组成的一个研究小组宣称，他们在距地球2100万光年处的一个星系内发现了存在庞大“黑洞”的证据，这一黑洞是太阳质量的4000万倍．在此之前，美国航空航天局于1994年5月底宣布，“哈勃”太空望远镜上携带的广视野星际照相机摄取了距离地球5000万光年的M87星系中的旋涡状气体云盘中，也存在“黑洞”的结论性证据． 对于在宇宙中均匀分布的暗物质，它对宇宙膨胀的效应是唯一探测其存在的方法．由测量遥远星系离开我们而去的速度便可确定膨胀的减慢程度．但是目前遇到的麻烦是星系的表观亮度不能很好地标度星系离开我们的距离．这必须等到我们发展出更好的测量星系距离的手段后才行．注：本刊根据《霍金讲演录》和《中国科学报》有关资料整理成此文．（江苏金湖县吕良中学 211621）姚家东五、反物质的发现 1996年1月4日，欧洲核子研究中心宣布制造出9个反氢原子，从而在世界上第一次制造成了一种反物质．同年11月12日，美国费米实验室利用对撞机又制造出7个反氢原子，进一步实现了长期以来人类制造反物质的愿望． 早在1928年，英国物理学家狄拉克在研究相对论性量子力学的过程中，就已经从理论上预言了正电子的存在．1932年，美国物理学家安德逊在宇宙射线的研究中发现了正电子，从而证实了反粒子的存在．正电子发现后，科学工作者相继又发现了一系列反粒子．1953年在β衰变的研究中发现了反中微子．1955年，美国物理学家张伯伦等在美国伯克利实验室6.8GeV质子同步加速器上又成功地发现了早已预言的反质子．反质子发现以后不久，1957年意大利的西格雷和美国的皮奇奥尼又发现了反中子．1960年，我国物理学家王淦昌又发现了反西格马负超子．这样，在研究物质结构的过程中，人们总共发现了300余种粒子，其中正、反粒子几乎各占一半．这就是说，每一种粒子都存在着一种与它对应的反粒子．反粒子的发现是20世纪物理学的巨大发现之一，并且生动地说明了物质世界的对立统一性． 粒子和反粒子具有相同的质量、电量、自旋、寿命和磁矩等，但它们的一切内部相加性守恒量的符号相互反号，对称性守恒量可以用相应的量子数描述，内部相加性量子数有电荷数、同位旋量子数、奇异数、轻子数、重子数、粲数和底数等．相加性量子数的符号相反将会导致电荷、磁矩等的符号相反．根据粒子和反粒子的性质，我们可以把所有的粒子分为两类．一类叫马约喇纳（Majorana）粒子，其特点是它们的一切内部相加性量子数都为零，因而粒子和反粒子完全相同．例如，γ粒子、π°介子和η°介子等的反粒子就是它自己，因而又称为纯中性粒子．另一类叫狄拉克（Dirac）粒子，它的特点是粒子和反粒子不完全相同．例[1]

如，电子（e）带负电，磁矩为负，轻子数为正，正电子（e）带等量的正电荷，磁矩为正，轻子数为负；质子带正电，磁矩、同位旋量子数和重子数均为正，反质子带负电，磁矩、同位旋量子数和重子数均为负；中子和反中子都不带电，但中子的磁矩和同位旋量子数为负，重子数为正，反中子的磁矩和同位旋量子数为正，重子数为负；中微子是左旋的，轻子数为正，反中微子是右旋的，轻子数为负．左旋指粒子的运动方向和粒子的自旋方向符合左手法则，右旋指粒子的运动方向和粒子的自旋方向符合右手法则． 由于每一种粒子都有反粒子存在，所以人们设想自然界中存在着反物质，在宇宙中还存在着由反物质构成的反星系，在反星系中也可能存在着类似地球的星球，我们姑且把它叫做“反地球”．“反地球”上也可能存在着生命，那么“反地球”上的“人”也是由反物质组成的．物质是由原子组成的，原子是由电子和原子核组成的，原子核是由质子和中子组成的；因此，反物质是由反原子组成的，反原子是由反原子核和正电子组成的，反原子核是由反质子和反中子组成的．1956年，美国科学家莱德曼用反中子和反质子人工合成了由一个反质子和一个反中子构成的反氘原子核．现在，人类终于制成了由一个反质子和一个正电子组成的反氢原子．目前的实验表明，在太阳系中反粒子虽然有，但是很少．在宇宙中有没有反星系存在，还有待于今后的实验证实． 正、反粒子有两个重要的特征，一是它们总是成对的产生，二是它们相遇后要发生湮没而转变为其它粒子．例如，γ粒子经过原子核附近时，因受原子核库仑场的作用而转变为正、负电子对， γ→e

但粒子和反粒子相遇时会发生湮没，物质和反物质相遇时也要发生湮没．因此，如果反星系存在的话，在宇宙航行中，地球上的人和反星系上的“人”相遇时是不能握手的，否则将会发生湮没而同归于尽． 粒子和反粒子相遇时不但要发生湮没，而且还会释放出巨大的能量．正、

反粒子湮没时，粒子和反粒子的全部静止质量几乎都转换成动能（包括中微

所产生的中间产物π介子虽然有静止质量，但它们是不稳定

的，很快就会衰变成更轻的粒子或静止质量为零的粒

子．

分别是μ子中微子和μ子反中微子．因此湮没释放出的能量是相当大的．一个质子和一个中子发生热核聚变反应形成氘核时大约释放出2MeV的能量，而一个质子和一个反质子湮没时释放出的能量大约是1800MeV．由此可见，湮没释放出的能量大约是核能的一千倍．10毫克质子和反质子湮没时，能放出相当于200吨化学液体燃料燃烧时释放出的能量，足以把巨型宇宙飞船发射到太空中去．所以，湮没现象为我们开发新能源指出了一条理想途径．我们设法把物质和反物质分别装在两个容器中，使用时使物质和反物质相遇，它们互相吸引，释放出的能量相当于世界上

最大的水电站工作12小时所发出的能量．因此，如果能研究出廉价的生产和储运反物质的方法，就能够获得高效而理想的燃料．如果在宇宙空间找到反星系，它将是天然的巨大的反物质仓库．由此可见，反物质的研究将为人类解决未来能源问题作出重大贡献．（陕西师范大学710062 陕西榆林农校719000）靳峻竹 张运斌六、反物质的存在及反氢的制造杨晓段 陈鸿林 1996年1月欧洲核研究中心庆祝在一次实验中合成了11个反氢原子，人类第一次真正看到了反物质原子．1996年底美国报道位于美国伊利诺州巴达维亚的费米国立加速器实验室制成了七个反氢原子．反氢原子的制造成功打开了反物质研究的大门． 1 寻找反物质的艰难历程 1898年英国的 A．舒斯特（Arthhur Schuster）预言反物质存在，推测存在着恰好和一般原子物质相反的原子． 1928年狄拉克（Paul Dirac）提出了相对论性电子运动方程（即狄拉克方程）．他的方程有两个解，一个相应于已知电子，另一个是存在着无穷多负能量状态的解．起初，狄拉克试图把第二个解解释成质子，但质子的重量要比电子重约2000倍，因此这种观点不能成立．一些量子力学先驱如海森堡（Werner Heisenbrg）经常被狄拉克的推论深深打动，但又对无法解释的新解难以忍受．为了克服这一困难，狄拉克假设真空是充满了负能电子的状态，为此1930年他提出了“空穴理论”，假设负能态为电子海所填满．根据泡利不相容原理，正能态的电子不可能跃到负能态中，但负能态中的电子吸收了电磁辐射时可跃到正能态成为普通电子，负能电子海中同时产生一个“空穴”．当普通电子返回“空穴”时，它们将同时湮没而放出γ光子．这个“空穴”相当于一个质量与电子相同而电荷相反的正电粒子，并且因缺少了负能而具有正能量，这就是狄拉克预言的正电子．他的方程预言了“反物质”世界的存在． 1932年C．安德森（Carl²Auderson）在宇宙线中发现了正电子．狄拉克的预言初步得到证实．人们的下一个目标就是寻找反质子，为此美国加州大学伯克利分校建造了高能量的Bevatro回旋加速器用以产生反质子，1954年开始运行．1955年O．张伯伦（Owen Chamberlain）和 E．塞格瑞（Emilio Segre）等人发现了反质子．由于该项贡献，他们获得了1959年诺贝尔物理奖． 根据CPT定理（电荷共轭、宇称反映、时间反演）宇宙中每一种粒子都应该有一种对应的反粒子，带有数值相等而符号相反的电荷．当一个粒子和它的反粒子相遇时，发生湮没形成γ射线．反粒子是否可以组成反原子，由反原子能否组成反分子乃至反物质呢？例如物质世界中最简单的氢原子是由一个质子和核外电子组成的，那么是否存在着由反质子和正电子组成的反氢原子呢？地球上肯定没有反物质，太阳系中也没有反物质，因为如果太阳系中有反物质，那么物质与反物质相遇而湮没所产生的γ射线早已把我们烘干．天体物理学家确认：我们的星系和星系团以至包括我们的超星系团在内的大约一亿光年范围内是由物质所组成而没有反物质．但是量子力学认为，各种基本量（例如电荷和动量）是守恒的，宇宙创生时产生了物质必然产生相等的反物质．因为反物质与物质所产生的光应该是一样的，所以从光谱上无法确定反物质的存在．分辨物质与反物质的唯一办法是对所研究的星系物质样品进行物理检验．宇宙射线就是原子和由超新星遗留物、恒星或别的天体碎屑放出的原子类物质．由反物质形成的宇宙线必定来自一亿光年之外的星系，它只占全部宇宙线的百万分之一．到目前为止用各种方法所接收到的宇宙射线中仅发现少量的反质子而没有发现反物质的存在．因此人们只能在实验室中产生反原子乃至反物质． 2 反氢的制造 反氢原子是最简单的反物质．要在实验室中产生反氢原子必须做两件十分困难的事情，一个是要产生大量的反质子．这是因为反质子与正电子合成截面很小约6³10

11－33cm，预计要产生9个反氢原子必须有5³10个反质子．每个原子存在时间为2.5³10－212－s，通过距离为10m．在反应中必须有第三种粒子介入，以维持动量守恒和能量守恒．二是要

使反质子和反氢以低于14eV的低能量状态存在，使反氢原子不会立即蒸发而变成组成它的粒子－反质子与反电子． 欧洲核研究中心（CERN）于1980年建成了世界上第一个制造反质子的工厂，研制了复杂的仪器，产生了物理实验所需要的大量反质子束．他们用这些反质子束进行质子－反质子碰撞并在1983年发现了带有弱核力的W和Z粒子． 为了使反质子和正电子处于低能状态，欧洲核研究中心于1983年建造了低能反质子环，用来减慢粒子以便探测质子-反质子在较低能态时的湮没．生成的反氢原子能从低能反质子环的直线轨道逃离而到达磁捕获器．磁捕获器的出口连接在环的直线部分上．磁铁的设计保证这种粒子不会被挡住而返回． 1996年1月欧洲核研究中心召开庆祝会宣告德国尤里青（Julich）物理研究所的W．奥勒特（WalterOelert）小组在核研究中心的低能反质子环上合成11个反氢原子（预言9±2个），这是人类第一次制造的反原子．物理学家预言，如果技术上有进一步的改进，大量生产反物质原子将是可能的． 3 反物质研究的未来 目前反物质粒子虽然发现和制造的并不多，但反物质的一种形式——正电子已经有了许多实际用途．例如正电子发射X射线层析照相术（PET）．医生利用PET扫描不仅能得出病人软组织的详细图象而且能够观察他们体内的化学过程，其中包括在进行认知活动时大脑各部分消耗“燃料”的速度． 反物质的一个潜在的且

十分诱人的用途是制造星际航行火箭的超级

所产生的推力就相当

于120吨由液态氢和液态氧组成的传统燃料． 科学家下一步的任务就是制造并贮存大量的反物质，进行精确的光谱测量，以验证反物质是否真是物质的一个镜象，是否存在着微妙差别．CPT联合变换是否真的具有不变性． 要贮存大量的反氢，一个较好的办法就是利用1936年荷兰科学家彭宁（Penning）设计的电磁势阱．他利用一个装有液态氦的腔室，使其中空部分的温度维持在－452°F左右．这个液态氦腔室的四周又有一个装满液态氮的腔室．在使用前将中空部分抽成高真空，然后将余下不多的几个空气分子冷凝，使其附着在冰冷的收集器壁上．这样中空部分就完全真空了，这时将带负电的粒子（例如电子）注入中空部分的中心，那里的许多线圈和电极产生强大的磁场把电子挤压到沿收集器中心轴的空间．调节电磁场，能使电子速度降低到几乎是静止的程度，即让电子“冷静”下来．然后再把反质子送进收集器，它

们运动时要通过一大群冷的电子，这会使它们慢下来． CERN设想进行的反原子光谱实验如图1所示．来自贮存环中动量为100MeV／c的反质子束通过金属箔，在彭宁阱中冷却到keV量级，随后继续冷却到meV量级．来自放射源的正电子通过与气体的碰撞冷却收集在另一个彭宁阱中，在第三个彭宁阱中，反质子和正电子相遇结合成反氢原子．外加的不均匀磁场对正电子有磁矩作用，产生的磁力将反氢维持在中央，避免与阱壁碰撞，由激光束探测这些几乎静止的反氢原子． 反氢原子这一基本物理体系给物理学家、化学家、天体物理学家带来了一系列新课题，

也给人类带来了新憧憬．