「反物質」不再遙不可及：國內首次利用超強超短激光產生反物質

出品：科普中國

製作：中國科學院上海應用物理研究所 幻彩寶寶科普創新公社

監製：中國科學院計算機網路信息中心

2016年3月10日，中國科學院上海光機所強場激光物理重點實驗室宣布其利用超強超短激光成功產生了反物質——超快正電子源，這也是我國科學家首次利用激光成功產生反物質，這一發現將在材料的無損探測、激光碟機動正負電子對撞機、癌症診斷等領域具有重大應用。

這一重要發現再次引起各界對於「反物質」的關注，而這一經常出現在科幻電影中的名詞其實並沒有那麼神秘和遙遠，我國科學家近年來在反物質領域也取得了許多突破性進展。

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國內首次！我國科學家成功利用激光產生反物質

上海光機所強場激光物理重點實驗室利用飛秒拍瓦激光裝置和高壓氣體靶相互作用，產生大量高能電子，高能電子和重核材料靶相互作用，由韌制輻射機制產生高強度伽馬射線，伽馬射線再和重核作用產生正負電子對。正電子譜儀經過精心設計，成功解決了伽馬射線帶來的雜訊問題，利用正負電子在磁場中的不同偏轉特性，實驗中在單發條件下就成功觀測到了正電子。這也是我國首次利用激光產生反物質。

上海光機所早在2001年就開始超強超短產生正負電子對的理論研究，提出利用強激光和納米薄膜靶相互作用產生正負電子對。該工作在國際上得到了廣泛關注，超強超短激光產生的超快正電子源，獲得反物質超快正電子源將對激光碟機動正負電子對撞機等具有重要意義。未來，在高能物理、材料無損探測、癌症診斷領域都有廣泛的應用前景。

圖2 超強超短激光產生正電子示意圖

揭秘反物質的「前世今生」

我國科學家首次成功獲得反物質引起了科學界的巨大反響，那麼究竟何為反物質？反物質的發現經歷了怎樣的歷程？科學界普遍認為，宇宙起源於大爆炸，之後逐漸演化、發展、膨脹，直至今天的物質世界。科學家們認為在大爆炸的初期，物質與反物質幾乎是對稱存在的。但是，為什麼自然界中充滿肉眼可見的普通正物質，但卻看不到反物質呢？反物質是否存在？存在的形式又是怎樣？這也是現代物理學研究的基本問題之一。

圖3 反物質示意圖

反物質的概念由英國物理學家狄拉克於1931年因為狄拉克方程負能解問題而首次提出。1932年安德森在宇宙射線中發現正電子；1955年塞格雷和張伯倫通過伯克利的同步穩相加速器把質子加速後打到銅靶上而發現了反質子；1956年考克等人利用反質子轟擊質子，在湮沒過程中觀察到了中子和反中子，其他的反粒子也在隨後的科學實驗中被逐漸發現，眾多的諾貝爾獎工作成果讓反物質的概念開始深入人心。

簡言之，物質和反物質是對稱的，其所有的性質或是相同或是相反。在這個邏輯下，如果用反質子和反中子代替原子核中的質子和中子的話，就得到一個反原子核。如果再配以正電子，就形成反原子，例如歐洲核子中心科學家實現的實驗室捕捉反氫原子技術。再用反原子組成反分子，構成反物質。

國際首次：我國科學家發現反超氚核和反氦4

其實早在上海光機所成功獲得反物質之前，國內在反物質領域的研究就已經取得了國際性的進展，中國科學院上海應用物理研究所馬余剛等，就曾連續取得兩項國際首次，即首次發現超氚核和反氦4，是迄今為止科學家發現的第一個反超核粒子和最重的反物質核。

2010年，國際螺旋管徑跡探測器（STAR）協作組為探尋宇宙起源的早期物質狀態，在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）上開展了實驗研究。中國科學院上海應用物理研究所陳金輝、馬余剛等與STAR協作組其他中外科學家合作，他們通過反氦３和π介子衰變道的不變質量譜重構，首次探測到第一個反超核粒子———反超氚核。這是迄今為止科學家們發現的第一個含有反奇異夸克的反物質原子核，它可能大量存在於宇宙的嬰兒期。相關研究結果發表在2010年４月２日《Science》上。

圖4 從末端(左圖A)和側面(右圖B)看到的反超氚核事件在時間投影室中的飛行軌跡。圖中徑跡實線部分為時間投影室記錄到的部分, 虛線段為延伸到碰撞頂點部分

2011年，STAR實驗組在尋找到質量數等於3的反超氚核的基礎上，通過其主探測器中的時間投影室(TPC)和中國STAR合作組研製的桶形飛行時間探測器(ToF)，在採集到的接近10 億次金—金核對撞產生的約5千億個帶電粒子里找到了18個反氦4原子核。反氦4可能是未來很長一段時間內人類所能探測到的最重的反物質原子核，因為下一個更重的穩定反物質原子核產生的可能性是反氦4的百萬分之一。其中起到關鍵性作用的ToF探測系統是由中美STAR合作組合作完成的， 探測器硬體和相應的物理部分是由STAR中國組研製完成的。馬余剛及其領導的課題組與美國布魯克海文國家實驗室研究員唐愛洪等為主合作完成了這一重要發現。相關論文於2011年5月19日發表在《Nature》周刊上。

圖5 STAR探測器結構示意圖

從定性到定量：反物質相互作用的首次測量

目前為止，科學家們已經探測到了多種粒?對應的反粒子，即做了許多定性的觀測，然?對反物質的定量研究卻很少。以上海應物所研究?員為主的團隊利用金核-金核碰撞中產?的豐富的反質子，測量了反質子-反質子動量關聯函數，並?次定量地提取反質子-反質?相互作用參數。在實驗精度內，反質?-反質子的散射長度和有效力程與質子－質子的是相等的，也就是說反物質間的相互作?與正物質並沒有差別。在此次反物質間作用力的首次測量過程中，馬余剛及其領導的課題組與美國布魯克海文國家實驗室研究員唐愛洪等合作， 從2012年初提出研究思路到歷時3年多進行艱難的數據分析，為最終反物質間相互作用力的測量做出了關鍵性貢獻。相關論文於2015年11月19日發表在《Nature》周刊上。

反物質究竟能給人類帶來什麼改變？

反物質從概念提出到目前取得的系列進展，顯示了這個領域巨大的潛力。但是將反物質應用到人類生活的想法，現在還停留在科幻小說階段。

但是以現有的發展速度，我們不難想像，利用反物質與普通物質湮沒時能釋放出的巨大能量，可以完美解決宇宙飛船的燃料問題，包括美國宇航局在內的一些專家已經在從事這方面的前沿研究，但目前進展非常緩慢。主要原因在兩方面，其一是我們去哪裡找反物質？既然宇宙中找不到反物質，人類只能自己去製造它。藉助於傳統加速器技術來產生反物質是一個普遍認可的方法，但是它的效率非常低，造價極其昂貴。其二是反物質的儲存問題，即使到遙遠的將來，人類可以理想的製造出反物質，怎麼安全儲存它將會是擺在科學家面前的另一個關鍵問題。但是當前反超氚核、反氦4的發現和反質子相互作用測量及其後續研究，無疑為反物質應用提供寶貴的信息。

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