3月,，中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)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(guó)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(wú)損探測(cè),、激光驅(qū)動(dòng)正負(fù)電子對(duì)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(duì)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(méi)有那么神秘和遙遠(yuǎn),，我國(guó)科學(xué)家近年來(lái)在反物質(zhì)領(lǐng)域也取得了許多突破性進(jìn)展。
圖1 我國(guó)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(chǎng)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(xiàn),，伽馬射線(xiàn)再和重核作用產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。正電子譜儀經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),，成功解決了伽馬射線(xiàn)帶來(lái)的噪聲問(wèn)題,，利用正負(fù)電子在磁場(chǎng)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(guān)測(cè)到了正電子,。這也是我國(guó)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(kāi)始超強(qiáng)超短產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)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(duì),。該工作在國(guó)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(duì)激光驅(qū)動(dòng)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等具有重要意義,。未來(lái),，在高能物理、材料無(wú)損探測(cè),、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(guó)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?？茖W(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(duì)稱(chēng)存在的。但是,，為什么自然界中充滿(mǎn)肉眼可見(jiàn)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(wèn)題之一。
圖3 反物質(zhì)示意圖
反物質(zhì)的概念由英國(guó)物理學(xué)家狄拉克于1931年因?yàn)榈依朔匠特?fù)能解問(wèn)題而首次提出,。1932年安德森在宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)正電子;1955年塞格 雷和張伯倫通過(guò)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(méi)過(guò)程中觀(guān)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(kāi)始深入人心,。
簡(jiǎn)言之,，物質(zhì)和反物質(zhì)是對(duì)稱(chēng)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(huà)，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(guó)際首次：我國(guó)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(guó)內(nèi)在反物質(zhì)領(lǐng)域的研究就已經(jīng)取得了國(guó)際性的進(jìn)展,，中國(guó)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(guó)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(guó)際螺旋管徑跡探測(cè)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(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī) (RHIC)上開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。中國(guó)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(guò)反氦3和π介子衰變道的不變 質(zhì)量譜重構(gòu)，首次探測(cè)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(xiàn)部分為時(shí)間投影室記錄到的部分， 虛線(xiàn)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(guò)其主探測(cè)器中的時(shí)間投影室(TPC)和中國(guó)STAR合作組研制的桶形飛行時(shí)間探測(cè)器(ToF)，在采集到的接近10 億次金—金核對(duì)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(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人類(lèi)所能探測(cè)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(wàn)分之一。其中起到關(guān)鍵性作用的ToF探測(cè)系統(tǒng)是由中美STAR合作組合作完成的,， 探測(cè)器硬件和相應(yīng)的物理部分是由STAR中國(guó)組研制完成的,。馬余剛及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員唐愛(ài)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(cè)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(cè)量
目前為止,，科學(xué)家們已經(jīng)探測(cè)到了多種粒子對(duì)應(yīng)的反粒子,，即做了許多定性的觀(guān)測(cè)，然而對(duì)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(cè)量了反質(zhì)子-反質(zhì)子動(dòng)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(zhǎng)度和有效力程與質(zhì)子-質(zhì)子的是相等的，也就是說(shuō)反物質(zhì)間的相互作用與正物質(zhì)并沒(méi)有差別,。在此次反物質(zhì)間作用力的首次測(cè)量過(guò)程中,，馬余剛及其領(lǐng)導(dǎo) 的課題組與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員唐愛(ài)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(cè)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(lèi)帶來(lái)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(lèi)生活的想法,，現(xiàn)在還停留在科幻小說(shuō)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(méi)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(wèn)題，包括美國(guó)宇航局在內(nèi)的 一些專(zhuān)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(lèi)只能自己去制造 它,。借助于傳統(tǒng)加速器技術(shù)來(lái)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(chǔ)存問(wèn)題，即使到遙遠(yuǎn)的將來(lái),，人類(lèi)可以理 想的制造出反物質(zhì),，怎么安全儲(chǔ)存它將會(huì)是擺在科學(xué)家面前的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(cè)量及其后續(xù)研究,，無(wú)疑為反物 質(zhì)應(yīng)用提供寶貴的信息,。