3月，中國科學(xué)院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宣布其利用超強(qiáng)超短激光成功產(chǎn)生了反物質(zhì)——超快正電子源，這也是我國科學(xué)家首次利用激光成功產(chǎn)生反物質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)將在材料的無損探測、激光驅(qū)動正負(fù)電子對撞機(jī)、癌癥診斷等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用。
這一重要發(fā)現(xiàn)再次引起各界對于“反物質(zhì)”的關(guān)注，而這一經(jīng)常出現(xiàn)在科幻電影中的名詞其實(shí)并沒有那么神秘和遙遠(yuǎn)，我國科學(xué)家近年來在反物質(zhì)領(lǐng)域也取得了許多突破性進(jìn)展。
圖1 我國科學(xué)家成功利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)
上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用飛秒拍瓦激光裝置和高壓氣體靶相互作用，產(chǎn)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(jī)制產(chǎn)生高強(qiáng)度伽馬射線，伽馬射線再和重核作用產(chǎn)生正負(fù)電子對。正電子譜儀經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，成功解決了伽馬射線帶來的噪聲問題，利用正負(fù)電子在磁場中的不同偏轉(zhuǎn)特性，實(shí)驗(yàn)中在單發(fā)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(chǎn)生反物質(zhì)。
上海光機(jī)所早在2001年就開始超強(qiáng)超短產(chǎn)生正負(fù)電子對的理論研究，提出利用強(qiáng)激光和納米薄膜靶相互作用產(chǎn)生正負(fù)電子對。該工作在國際上得到了廣泛關(guān)注，超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生的超快正電子源，獲得反物質(zhì)超快正電子源將對激光驅(qū)動正負(fù)電子對撞機(jī)等具有重要意義。未來，在高能物理、材料無損探測、癌癥診斷領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
圖2 超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生正電子示意圖
揭秘反物質(zhì)的“前世今生”
我國科學(xué)家首次成功獲得反物質(zhì)引起了科學(xué)界的巨大反響，那么究竟何為反物質(zhì)？反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了怎樣的歷程？科學(xué)界普遍認(rèn)為，宇宙起源于大爆炸，之后逐漸演化、發(fā)展、膨脹，直至今天的物質(zhì)世界。科學(xué)家們認(rèn)為在大爆炸的初期，物質(zhì)與反物質(zhì)幾乎是對稱存在的。但是，為什么自然界中充滿肉眼可見的普通正物質(zhì)，但卻看不到反物質(zhì)呢？反物質(zhì)是否存在？存在的形式又是怎樣？這也是現(xiàn)代物理學(xué)研究的基本問題之一。
圖3 反物質(zhì)示意圖
反物質(zhì)的概念由英國物理學(xué)家狄拉克于1931年因?yàn)榈依朔匠特?fù)能解問題而首次提出。1932年安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)正電子；1955年塞格雷和張伯倫通過伯克利的同步穩(wěn)相加速器把質(zhì)子加速后打到銅靶上而發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子；1956年考克等人利用反質(zhì)子轟擊質(zhì)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后的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中被逐漸發(fā)現(xiàn)，眾多的諾貝爾獎(jiǎng)工作成果讓反物質(zhì)的概念開始深入人心。
簡言之，物質(zhì)和反物質(zhì)是對稱的，其所有的性質(zhì)或是相同或是相反。在這個(gè)邏輯下，如果用反質(zhì)子和反中子代替原子核中的質(zhì)子和中子的話，就得到一個(gè)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(xué)家實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室捕捉反氫原子技術(shù)。再用反原子組成反分子，構(gòu)成反物質(zhì)。
國際首次：我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)反超氚核和反氦4
國際首次：我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)反超氚核和反氦4
其實(shí)早在上海光機(jī)所成功獲得反物質(zhì)之前，國內(nèi)在反物質(zhì)領(lǐng)域的研究就已經(jīng)取得了國際性的進(jìn)展，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馬余剛等，就曾連續(xù)取得兩項(xiàng)國際首次，即首次發(fā)現(xiàn)超氚核和反氦4，是迄今為止科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反超核粒子和最重的反物質(zhì)核。
2010年，國際螺旋管徑跡探測器(STAR)協(xié)作組為探尋宇宙起源的早期物質(zhì)狀態(tài)，在美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)上開展了實(shí)驗(yàn)研究。中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所陳金輝、馬余剛等與STAR協(xié)作組其他中外科學(xué)家合作，他們通過反氦3和π介子衰變道的不變質(zhì)量譜重構(gòu)，首次探測到第一個(gè)反超核粒子———反超氚核。這是迄今為止科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)含有反奇異夸克的反物質(zhì)原子核，它可能大量存在于宇宙的嬰兒期。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2010年4月2日《Science》上。
圖4 從末端(左圖A)和側(cè)面(右圖B)看到的反超氚核事件在時(shí)間投影室中的飛行軌跡。
圖中徑跡實(shí)線部分為時(shí)間投影室記錄到的部分， 虛線段為延伸到碰撞頂點(diǎn)部分
2011年，STAR實(shí)驗(yàn)組在尋找到質(zhì)量數(shù)等于3的反超氚核的基礎(chǔ)上，通過其主探測器中的時(shí)間投影室(TPC)和中國STAR合作組研制的桶形飛行時(shí)間探測器(ToF)，在采集到的接近10 億次金—金核對撞產(chǎn)生的約5千億個(gè)帶電粒子里找到了18個(gè)反氦4原子核。反氦4可能是未來很長一段時(shí)間內(nèi)人類所能探測到的最重的反物質(zhì)原子核，因?yàn)橄乱粋€(gè)更重的穩(wěn)定反物質(zhì)原子核產(chǎn)生的可能性是反氦4的百萬分之一。其中起到關(guān)鍵性作用的ToF探測系統(tǒng)是由中美STAR合作組合作完成的， 探測器硬件和相應(yīng)的物理部分是由STAR中國組研制完成的。馬余剛及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組與美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研究員唐愛洪等為主合作完成了這一重要發(fā)現(xiàn)。相關(guān)論文于2011年5月19日發(fā)表在《Nature》周刊上。
圖5 STAR探測器結(jié)構(gòu)示意圖
從定性到定量：反物質(zhì)相互作用的首次測量
目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)探測到了多種粒子對應(yīng)的反粒子，即做了許多定性的觀測，然而對反物質(zhì)的定量研究卻很少。以上海應(yīng)物所研究成員為主的團(tuán)隊(duì)利用金核-金核碰撞中產(chǎn)生的豐富的反質(zhì)子，測量了反質(zhì)子-反質(zhì)子動量關(guān)聯(lián)函數(shù)，并首次定量地提取反質(zhì)子-反質(zhì)子相互作用參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)精度內(nèi)，反質(zhì)子-反質(zhì)子的散射長度和有效力程與質(zhì)子-質(zhì)子的是相等的，也就是說反物質(zhì)間的相互作用與正物質(zhì)并沒有差別。在此次反物質(zhì)間作用力的首次測量過程中，馬余剛及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組與美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研究員唐愛洪等合作， 從2012年初提出研究思路到歷時(shí)3年多進(jìn)行艱難的數(shù)據(jù)分析，為最終反物質(zhì)間相互作用力的測量做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。相關(guān)論文于2015年11月19日發(fā)表在《Nature》周刊上。
反物質(zhì)究竟能給人類帶來什么改變？
反物質(zhì)從概念提出到目前取得的系列進(jìn)展，顯示了這個(gè)領(lǐng)域巨大的潛力。但是將反物質(zhì)應(yīng)用到人類生活的想法，現(xiàn)在還停留在科幻小說階段。
但是以現(xiàn)有的發(fā)展速度，我們不難想象，利用反物質(zhì)與普通物質(zhì)湮沒時(shí)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(nèi)的一些專家已經(jīng)在從事這方面的前沿研究，但目前進(jìn)展非常緩慢。主要原因在兩方面，其一是我們?nèi)ツ睦镎曳次镔|(zhì)？既然宇宙中找不到反物質(zhì)，人類只能自己去制造它。借助于傳統(tǒng)加速器技術(shù)來產(chǎn)生反物質(zhì)是一個(gè)普遍認(rèn)可的方法，但是它的效率非常低，造價(jià)極其昂貴。其二是反物質(zhì)的儲存問題，即使到遙遠(yuǎn)的將來，人類可以理想的制造出反物質(zhì)，怎么安全儲存它將會是擺在科學(xué)家面前的另一個(gè)關(guān)鍵問題。但是當(dāng)前反超氚核、反氦4的發(fā)現(xiàn)和反質(zhì)子相互作用測量及其后續(xù)研究，無疑為反物質(zhì)應(yīng)用提供寶貴的信息。
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