探索反物质之谜

探索反物质之谜

欧洲核子研究中心2000年8月10日曾宣布，它建造的反质子减速器已经投入使用。这一“反物质工厂”将帮助科学家进一步探索反物质之谜，揭示宇宙诞生和演化以及物质世界构成等奥秘。

物质是由分子和原子组成，原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成，如果由带正电的电子与带负电的原子核组成原子，那么就是反原子，由反原子就可组成反物质。

科学家认为，约140亿年前宇宙诞生时产生了大体相等的物质和反物质，那么现在这些反物质到哪里去了？一种解释说在宇宙的某些地方存在着由反物质组成的星系；还有一种解释说宇宙诞生时产生的物质比反物质多了一点，物质与反物质相互湮灭后，剩下的物质就构成了现在的宇宙。由于科学家目前对反物质了解非常少，因此对宇宙诞生和演化以及物质世界构成等问题很难深入研究。

为了探索反物质之谜，目前科学家采取了两种途径，一是在自然界中寻找反物质，研究反物质的自然状态；二是在实验室中制造反物质，从更多的角度研究反物质。

1997年4月，美国海军研究实验室、西北大学和加州大学伯克利分校等五个著名研究机构的天文学家宣布，他们利用先进的伽马射线探测卫星发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源。它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。

正反物质相遇可释放出巨大的能量和比普通可见光强25万倍的伽马射线。银河系反物质“喷泉”是通过这一相接证据发现的，因而它对深入反物质的性质帮助不大。为了“面对面”地研究反物质，科学家想到了直接“捕捉”反物质。在地面，由于大气干扰，几乎不可能“捕捉”到反物质，因此科学家把目光投向了太空。

1998年6月2日，美国“发现”号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。这一核心部分由中国科学家制造的仪器，是当代最先进的粒子物理传感仪，目的是去太空寻找反物质。阿尔法磁谱仪这次随“发现”号上天，尽管没有发现反物质，但采集存贮了大量数据。2002年它将被送上国际空间站，进行长达3年的数据采集工作。它对反物质的探索，很可能带来一次科学突破。

在自然界中寻找反物质难度很大，而且很难进一步研究它的性质，因此近年来科学家尝试在实验室中制造反物质。1995年欧洲核子研究中心的科学家在世界上制成了第一批反物质——反氢原子，揭开了人类研制反物质的新篇章。科学家利用加速器，将速度极高的负质子流射向氙原子核，以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产生正电子，刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个负质子结合就会形成一个反氢原子。在累计15小时的实验中，他们共记录到9个反氢原子存在的证据。由于这些反氢原子处在正物质的包围之下，因此它们的寿命极短，平均一亿分之三秒（30纳秒）。1996年，位于美国费米国立加速器实验室成功制造了7个反氢原子。此后，在实验室中制造反物质的工作受到很多科学家的高度重视。

目前在实验室中制造正电子、负质子等反基本粒子已是轻而易举，而将正电子与负质子组成反原子尚十分困难，因为将这两种粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子工作十分复杂，因此科学家需要研制功能更强大的研究工具。

10日宣布投入使用的反质子减速器是一个圆形混凝土盒，周长188米，耗资1150万美元。它利用磁场将高能反质子减速成速度约为光速十分之一的反质子。科学家将利用减速器产生的反质子进行实验，用磁场对反质子进行约束，或将反质子与正电子结合成为反氢原子。科学家计划在今年年底前用反质子减速器制造出首批反氢原子，2002年完成对初步实验结果的分析。

已有欧洲核子中心正在建设世界上最大的原子加速器——强子对撞机。这一对撞机得到欧洲国家和美国、日本、俄罗斯等国家的支持，预计将于2005年建成投入运转，估计耗资60亿美元。科学家认为，随着一系列包括探测器和加速器等研究工具的投入使用，人们将进一步揭开反物质之谜。