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反质子

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反质子与反质子之间的吸引力就如同质子一般。
反质子与反质子之间的吸引力就如同质子一般。

反质子(英语:antiproton)是质子反粒子,其质量及自旋与质子相同,但电荷磁矩则与质子相反,带有与电子相同的负电荷。

保罗·狄拉克在他的1933年诺贝尔物理学奖演讲中预言反质子的存在[1]。1955年,加州大学柏克莱分校物理学家埃米利奥·塞格雷欧文·张伯伦透过粒子加速器,而发现了这种反粒子,他们二人于1959年获得诺贝尔物理学奖

反质子是质子反粒子,符号为p,其质量、自旋与质子相同,且寿命也与质子相当;但其电荷及磁矩则与质子相反,且带有与电子同电量的负电荷。这些性质与量子场理论的基础--CPT对称理论预测相符合。一个反质子是由两个上反夸克及一个下反夸克所组成(u u d )。虽然反质子本身是稳定的,但由于反质子与质子撞击会发生湮灭的现象,并且转化为能量,是故反粒子无法在一般的自然环境中保存。

由于这些粒子在与质子撞击时会相湮灭,转化为能量,因此这些粒子在自然界中的寿命极短。在欧洲核子研究组织实验室作出的研究中,他们以同步加速器把质子加速至达26GeV量的水平,然后与金属棒撞击,其能量足够产生反质子,在所得到的粒子与反粒子中,科学家用磁铁把反粒子隔离在真空中。

物理学家塞格雷和张伯伦证实了反质子与质子的相应性质,以及相反的电荷和磁矩。他们二人因而于1959年获得诺贝尔物理学奖。反质子可以于宇宙射线中被侦测到,目前普遍认为是宇宙射线中的高速正质子与星际间的原子核相互撞击所产生的,其反应式为:

p + A → p+ p +p+ A

其中,A表示一个被撞击的原子核。上式产物中的反质子遂散布于宇宙中,并受到星际磁场的束缚。

反质子的特性已可由宇宙射线的观察中略见端倪:反质子的能量分布会随着其与星际物质的碰撞而改变,这个性质可以被用来验证宇宙射线中反质子的成因,目前我们观测到宇宙射线中反质子的能量分布跟相互撞击机制所预测的结果是大体符合的,从这个比较中,科学家们还可以推估宇宙中经由超对称暗物质粒子湮灭、或黑洞霍金辐射等等特殊机制中产生出的反质子数量的上限。同样地,科学家也可由目前宇宙中观测到的反质子的保存时间,推测反质子寿命的下界。迄今科学家多半经由气球运载实验(balloon-borne experiment)来侦测宇宙射线中反粒子的存在与性质,此类实验会在气球上装载磁场侦测仪,用以侦测范围内带电粒子的性质。

此外也有为了侦测宇宙射线以及反物质的太空任务,例如2006年发射的搭载于人造卫星上的PAMELA侦测模组(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics),该实验于2011年报告.发现28个反质子在南大西洋异常区[2]

2015年,STAR研究团队英语Star collaboration发表论文报告,已成功测量反质子与反质子之间的强作用力,其与质子彼此之间的强作用相同。[3]

参见

参考资料

  1. ^ Dirac, Paul A. M. Theory of electrons and positrons (PDF). 1933. 
  2. ^ O. Adriani; 等. The Discovery of Geomagnetically Trapped Cosmic-Ray Antiprotons. The Astrophysical Journal Letters. 2011, 737 (2): L29. Bibcode:2011ApJ...737L..29A. arXiv:1107.4882v1. doi:10.1088/2041-8205/737/2/L29. 
  3. ^ STAR Collaboration. Measurement of interaction between antiprotons. 26 July 2015. arXiv:1507.07158. 
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