21世纪内人类的宇宙反物质探索

21世纪内人类的宇宙反物质探索

自人类以来，对物质世界的研究一直是人类不断了解和改造世界的结果。特别是在揭露了原子秘密后，人类信息进入了一个新时代。例如，原子能的开发促进了原子能的开发、控制技术和计算机的发展。例如，原子能探测技术和计算机的发展。为了研究物质微观结构提供了实验手段。场论、力学和量电动学（qd）、量色动力学（qcd）和量味动力学（qfd）的建立和发展，为研究颗粒的动态机制提供了理论基础，并形成了构成物质世界的轻子消费者。这是人类深入探索物质微观结构的结果。随着反粒子、反氘核和反氢原子的发现以及天体演化研究的进展,人们又将目光转向反物质世界的探索.1998年6月3日,丁肇中研究组的学者将中国参与制造的α磁谱仪用航天飞机带上太空试验,揭开了人类太空探测宇宙反物质的新篇章.预计在21世纪内人类有可能揭开宇宙反物质之谜.根据宇宙大爆炸理论和质能关系.在宇宙大爆炸时的超高温条件下,是可以产生大量正、反质子,正、反中子和正、反电子的;根据反质子、反中子和反电子具有与质子、中子和电子同样的稳定性,在一定条件下,这些反粒子形成反原子核、反原子、反物质也是有可能的.宇宙大爆炸时产生的正、反物质不是等量对称的.从人类首次发现反质子的反应方式估算,反物质大约只有总物质的1/4左右.虽经漫长岁月的可能正反物质相遇而爆炸性湮灭,但仍可能有反物质残存于宇宙中.反物质之谜也是本文感兴趣的.1原子内部的能量早在公元前4世纪,古希腊人德漠克利特(Democritus)就提出过“原子说”,认为万物均由不可分割的原子组成.1897年,汤姆逊对阴极射线在静电场中偏转时的电荷和质量测量,发现了质量仅为氢原子质量1/1840的电子,这意味着原子不是组成物质的最小单元.1911年,卢瑟福根据α粒子射向金属原子靶时发生大角度偏转的实验事实,揭示了原子中有一个质量和正电荷集中的中心体——原子核.从而认识到原子由原子核和核外电子组成.1913年,玻尔根据氢原子光谱的实验规律提出氢原子的能级理论,1914年弗朗克等人从实验上证实原子内部确实存在不连续的能量状态.1919年,卢瑟福用天然放射的α粒子去轰击氮原子核时发现了质子;1932年,恰德维克又在α粒子轰击铍靶的实验中发现了中子,使人们认识到原子核又由质子和中子组成.1968年,斯坦福直线加速器中心(SLAC)用100亿电子伏特的高能电子束对质子靶进行深度非弹性散射实验时,发现能深入质子内部的高能电子却发生了大角度散射,表明质子内部还有点状粒子存在.这点状粒子就是盖尔曼理论模型中的夸克(或层子模型中的层子).现已确认质子由2个u夸克(u是up的简写,带+23e+23e的电荷)和1个d夸克(d是down的简写,带-13e−13e电荷)组成;中子由2个d夸克和1个u夸克组成.即由夸克u和d可构成核子(质子、中子的总称);不同数量的核子则构成不同的原子核;不同的原子核和相应的核外电子构成不同的原子,从而构成不同的物质.初看起来似乎有了夸克u、d和电子e(不参与强相互作用的轻子)就可完满地描述日常物质世界的构成.其实不然.(1)核力中有弱作用力成份和弱作用过程在核素中几乎普遍存在的事实,以及弱作用衰变直接关系到某些元素的起源和元素的衰变键,u,d,e还不能完善地构成日常物质世界.例如,太阳之所以能有持久的光和热,就是由于太阳内部有质子-质子核反应键和碳-氮核反应键持续循环的结果.这两种循环核反应键都依赖于弱作用的β衰变.如果没有弱作用衰变,太阳的光和热和就会终止,地球上也就不会有生命.而表征弱作用特征的粒子是中微子νe(仅参与弱作用的轻子).(2)夸克和轻子的自旋都是1212,它们之间存在对称性.根据目前认识,构成日常物质世界的基本成员是夸克对u,d和轻子对e,νe.2多资源类,多为方之间人们在中、高能物理研究中,曾发现许多非日常物质世界中的产物:(1)奇异粒子1947年,罗切斯特等人用磁云室研究宇宙射线时发现了一些“V”型径迹,经测量分析,这些“V”形径迹是两类不同粒子的衰变产物,1953年,布鲁克海汶实验室(BNL)利用高能质子加速器重复实验查明:这两类不同粒子是通过强相互作用协同产生,而通过弱相互作用独立衰变的.已发现的奇异粒子有介子类和超子类.如Κ+‚Κ-‚Κ0‚ˉΚ0(Κ0K+‚K−‚K0‚K¯¯¯0(K0的反粒子)等,其质量介于核子和电子之间,属介子类;又如∑+,∑-∑0,Ω-,…等等,它们的质量都大于核子的质量,属超子类.上述奇异粒子的夸克组成为:Κ+(u,ˉs)‚Κ-(s,ˉu)‚Κ0(d,ˉs)‚ˉΚ0(s,ˉd);∑+(u,u,s),∑-(d,d,s),∑0(d,s,u),Ω-(s,s,s).括号中的英文字母代表组成该粒子的夸克类型.如s为奇异夸克,字母上的一横,表示该粒子的反粒子,如ˉs为反奇异夸克.所有介子均由正、反夸克组成,所有超子均由3个夸克组成.它们的夸克组成中,至少有1个奇异夸克s或反奇异夸克ˉs.这和日常物质世界中核子的夸克组成是不同的.(2)奇异核和奇异原子如Λ超核3ΛH(核中有1个质子、1个中子和1个Λ超子),5ΛHe(核中有2个质子,2个中子,1个Λ超子),又如8ΛBe,9ΛBe,11ΛBe,12ΛBe(它们的核中均为4个质子,1个Λ超子,其中子数分别为3,4,6,7).上述Λ超核都是核中有1个Λ超子取代了1个中子而形成的.此外,还有双Λ超核,如10ΛΛBe,则是核中有2个Λ超子取代了2个中子而形成的.上述Λ超核中都含有奇异夸克s.这也与日常物质世界中原子核的成份有所不同.奇异原子是由带负电的其它粒子在物质中慢化到原子中的轨道速度时取代了核外电子而形成的.如μ-原子,K-原子,∑-原子等等.它们也与日常的原子不同.特别是K-原子和∑-原子中还含有奇异夸克s.(3)含粲夸克粒子例如含粲夸克超子:∑+c(c,u,d),∑0c(c,d,d),X+c(c,c,d),S+c(c,u,s),S0c(c,d,s),T0c(c,c,s)等以及粲夸克偶素(c,ˉc).上述含有奇异夸克和粲夸克的粒子也都不属于日常物质世界.3物质世界的构成在第1节我们已谈到,轻子e,νe与夸克u,d构成日常物质世界.而已发现的夸克有上夸克u(up)、下夸克d(down),奇异夸克s(sτrange)、粲夸克c(charm),底夸克b(botten)和顶夸克t(top)6种.这6种不同的夸克被称为6种不同的味道(在量子味动力学中,味道这一概念首先是作为量子数引入的).每一味道的夸克又分3种不同的颜色,用来标记3个不同的状态(在量子色动力学中,常被称之为色量子数,它的引入是为了避免诸如粒子Δ-(d,d,d),Δ++(u,u,u)有3个同类夸克处于同一状态而会违反泡利原理而提出的).已发现的轻子有e(电子),μ-(μ子),τ-(重轻子)及与它们对应的中微子νe,νμ和ντ.如果再加上每一夸克和每一轻子相对应的反粒子.则共有24种正反夸克和正反轻子.如果按夸克对u,d和轻子对e,νe作为一个家族构成日常物质世界,那么3对夸克和3对轻子则可把物质世界分成轻子、夸克三大家族.如图1所示.1家族:构成五彩缤纷,千姿百态的日常物质世界(包括人类本身).第2家族:其典型产物有奇异夸克偶素(s,ˉs),粲夸克偶素(c,ˉc),超子Ω-(s,s,s),X+s(c,c,s),T0(c,s,s)等等.第3家族:γ粒子是该家族中第1个被人们认识的粒子.它由正、反底夸克(b,ˉb)构成.有些粒子是由2个家族中的夸克混合构成的.例如∑+(u,u,s),∑-(d,d,s),Ξ-(d,s,s),Ξ0(u,s,s),∑+c(c,u,d),∑0c(c,d,d),,X+c(c,c,d),S+c(c,u,s),S0c(c,d,s).物质世界由轻子、夸克3家族组成,这是人们目前对物质世界微观组成的深层认识.另一方面,由于每一夸克和每一轻子都有相对应的反粒子.这就意味着由反夸克和反轻子也可组成反物质世界.也意味着宇宙中还应有反物质和反天体存在.下面我们将根据宇宙大爆炸时的超高温和反核子产生的条件来探讨反物质存在的可能性,并对历史上不明原因的通古斯卡大爆炸进行一些讨论.4反质子1928年,狄拉克在研究薛定谔非相对论量子力学波动方程和海森堡矩阵力学的基础上,建立了有名的相对论量子力学方程,该方程中出现了对应于正、反粒子的正、负能态解.如果正能态对应的是自旋为1/2的正粒子,那么负能态则对应于自旋为1/2的反粒子.1932年,安德森用磁云室研究宇宙射线时果然发现了电子的反粒子——正电子.1955年,美国劳伦斯伯克利实验室(LBL)的张伯伦等人,用高能质子加速器将质子加速到62亿电子伏特去轰击氢靶,通过反应Ρ+Ρ→Ρ+Ρ+Ρ+ˉΡ发现了反质子ˉΡ.1956年,考尔克等人利用上述方法产生的反粒子(反质子)去轰击质子靶,通过电荷交换反应ˉΡ+Ρ→n+ˉn又发现了反中子ˉn.1960年中国王淦昌在前苏联杜布纳城任国际联合核子研究所所长期间,领导有关科学家发现了反负西格玛超子∑ˉ-.一系列实验事实表明,不仅自旋为半整数的粒子(费米子)存在对应的反粒子.如轻子:e-,e+;μ-,μ+,重轻子τ-,τ+;中微子:νe,ˉνe;νμ,ˉνμ;ντ,ˉντ.夸克:u,ˉu;d,ˉd;s,ˉs;c,ˉc;b,ˉb;t,ˉt.核子:P,ˉΡ;n,ˉn.超子Λ,ˉΛ;∑0‚∑ˉ0;∑-‚∑ˉ-;∑+‚∑ˉ+等等.自旋为整数的粒子(玻色子)也存在对应的反粒子.如介子:π-,π+;k-,k+;k0,ˉk0等等.按费曼图分析,粒子和反粒子也是对应的,每一种粒子都有它的反粒子.1961年,美国布鲁克海汶实验室(BNL)利用高能质子加速器AGS将质子加速到300亿电子伏进行反氘核实验研究.结果发现了反氘核ˉd.1995年,欧洲核研究中心(CERN)通过反应:ˉpz→ˉprrz→ˉpe+e-z→ˉΗe-z而发现了反氢原子ˉΗ.人们还发现:核与反核,原子与反原子分别具有相同的作用力场,可能遵循同样的物理规律.根据反粒子ˉu,ˉd,e+,ˉνe同样具有稳定性的特点,那么由反夸克ˉu,ˉu,ˉd可构成反质子ˉΡ;由反夸克ˉu,ˉd,ˉd可组成反中子ˉn;由反质子ˉΡ和反中子ˉn可构成反原子核;由反原子核和反电子可构成反原子,进而可组成不同的反物质.5高能反质子对vd(1)构成反原子的反质子ˉΡ,反中子ˉn和反电子e+可通过下述反应产生.例如利用高能粒子之间的如下反应:Ρ+Ρ→Ρ+Ρ+Ρ+ˉΡ(1)r+Ρ→Ρ+Ρ+ˉΡ(2)可以产生反质子ˉΡ;利用反质子与质子间的如下电荷交换反应:ˉΡ+Ρ→n+ˉn(3)可以获得反中子ˉn;利用高能r射线在核场与物质相互作用产生的r湮灭反应:re+e-即r→e++e-(4)可以获得反电子e+.(2)上述产生反粒子的能量要求:根据反应式(1),反应后比反应前多了一对正反质子对(Ρ+ˉΡ),设正反质子的质量相等,根据质能关系,这对正反质子对的静止能为ΔE=2mpC2≃1.9GeV=1.9×109eV.(5)这表明在质心系中两束质子对撞的情况下,大约需供给质子1.9GeV以上的质心对撞动能.对应于反应式(2),则要求r光子的能量也在1.9GeV以上.而对应于产生反中子的电荷交换反应式(3)和对应于产生反电子的反应式(4),均只需提供10-3?GeV量级的能量,比产生反质子所需的能量1.9GeV要小得多.如果1.9GeV的能量由质子的热运动能来提供,那么根据Tk=m0C2可求出质子热运动所需的高温T≃1013℃.(3)宇宙大爆炸时有形成反物质的条件:根据宇宙大爆炸理论,在宇宙大爆炸后1s时宇宙物质温度约1010℃.如果按核爆炸的高温火球随时间变化的指数规律来估算,那么,在宇宙大爆炸的瞬间(t=10-6?s内),宇宙火球内的温度可超过1016℃.在如此高的温度下即使爆炸前的宇宙全部由正物质组成,宇宙物质也完全处于质子、中子和电子的单粒子运动状态(甚至处于夸克、电子状态).质子的热运动能量高达103?GeV,比产生反质子所需的质子热运动能量约高出1000倍左右,质子之间的每一次碰撞除产生一对高能质子外,还新增加一对高能正、反质子对,因而在宇宙大爆炸时会有大量的高能反质子产生.如果正、反质子之间通过如式(3)的电荷交换反应,则可产生高能正、反中子对;如果正、反质子之间进行湮灭反应,则可产生高能r光子;此高能r光子既可通过和物质的相互作用产生高能正、反电子对,还可按反应式(2)再产生正、反质子对.因此,当宇宙处于高温火球时可能有大量正、反质子(P,ˉΡ),正、反中子(n,ˉn)和正、反电子(e-,e+)不断产生(当正、反粒子湮灭时,火球温度将进一步升高).既有组成物质世界的物质基础,也有组成反物质世界的物质基础.(4)宇宙大爆炸后有形成反物质的可能性:当反质子和反中子都慢化到反核内的反核子平均动量水平时,只要它们相互接近到聚合反应距离时就可聚合成反核;当反电子e+的速度慢化到反原子中反电子轨道速度时,就有可能被反核的原子轨道俘获而形成反原子.因为反质子、反中子和反电子都是稳定粒子,因而可形成稳定的反原子,进而可形成稳定的反物质.因此,宇宙大爆炸时是完全有可能形成反物质的.6宇宙反物质的秘密(1)高能r与n的作用根据宇宙大爆炸时的高温条件和上述粒子间的相互作用,在宇宙大爆炸后应有大量的反物质形成.为什么人们除了在高能物理实验室或太空中能发现反粒子外,却不见反物质的踪迹呢?可能原因之一是宇宙大爆炸时产生的正反物质并不对称,正如式(1)和(式(2)显示的那样,虽然正反质子是成对产生的,但反应后的质子数却数倍于反质子数.如果宇宙大爆炸时还存在高能r与n的如下反应:r+n→n+n+ˉn(6)那么在宇宙大爆炸后的中子数也是多于反中子数的.这样就使得大爆炸后在宇宙中形成的正物质多于反物质.而正、反粒子或正、反物质相遇时会产生湮灭而转化成高能r光子的辐射能.经过宇宙大爆炸后约150多亿年的慢长岁月,反物质在宇宙中可能已残存不多了,在茫茫宇宙中很难找到它们,在我们生活的地球上不可能有反物质存在.可能原因之二是:宇宙大爆炸并不均匀对称,有大量反物质未遭到与正物质湮灭的恶运而远离正物质而去,处于现今宇宙的另一端.这是因为在高温宇宙火球内正、反粒子的自旋与运动之间存在磁相互作用,若一旦在某方向(如Z向)出现了有序强磁场,此磁场又对正、反粒子的磁矩取向和运动方向产生影响,使正、反粒子绕强磁场相对反向地螺旋运动.使大量正、反粒子在宇宙大爆炸时以旋转风云形式从两端抛出(如图2所示).(2)宇宙大爆炸与反物质从发现反质子的反应式(1)来看,新产生的正、反质子比是4∶1;根据宇宙大爆炸理论,最初产生的元素是氢,随着爆炸后的初始膨胀降温而产生聚变反应,逐步聚变成其它元素;丁肇中等人前不久进行的α磁谱仪太空探测实验结果,发现反电子仅为电子数的1/4.(详见1999年9月7日的光明日报:丁肇中谈宇宙大爆炸).这一切都暗示:宇宙大爆炸形成的正、反物质比可能为4∶1.正、反物质存在不对称性是可以理解的.因为正、反粒子产生时在数量上的对称性与非对称性要由产生正、反粒子的方式与能量来决定.例如能量高于1.02MeV的r粒子与物质相互作用时可产生一对正、反电子对,但根据质能关系,运动能量高于1.02MeV的电子在质心系中的对撞,则可产生3个电子与1个反电子.而这种高能电子的对撞,在宇宙爆炸时的高温火球内是可以经常发生的.如果以为正、反粒子只能等量产生,那是一种错觉.由于反物质发出的电磁波信号与光谱同正物质发生的电磁波信号与光谱是相似的,目前的天文观测手段还无法去区分来自正、反物质的天文信息,即使有反物质天体存在,也很难发现.甚至有反物质落地面,由于正、反物质湮灭反应而使反物质消失,人们也很难找到反物质痕迹.因此,宇宙中是否还有反物质,反天体存在还是一个谜.历史上不明原因的通古斯卡大爆炸,也可能就是一个来自宇宙空间的反物质之谜.(3)通古斯卡大爆炸后的能量释放特点1908年6月30日当地时间7点17分,俄罗斯西伯利亚的通古斯卡地区,曾发生过一次不明原因的大爆炸,使数百平方公里的森林被毁,地面留下了一些直径在100～200m的大坑.所释放的能量约相当于1500～2000万t?TNT当量的化学能.这一不明原因的大爆炸曾引起人们种种思考:如果是陨石坠落,那么从坑的直径和释放的能量来看,即使陨石能达到每秒30km的速度撞地(第三宇宙速度也只16.7km/s),最少也需要上万顿陨石,然而却只找到1～2t所谓的“陨石”.这无法解释如此巨大的能量释放.有人曾认为它可能是来自天外的大冰块陨落,在地面留下大坑,而冰块却熔化了,找不到陨落冰块的踪迹.但是冰块撞地形成大坑需要消耗巨大的能量,冰块的熔