70年前，人類找到了反質子

圖源：維基百科

導讀：

70年前，1955年9月21日，一種新粒子——反質子——被確認發現。這種粒子不是實驗家碰巧發現的，而是在數學方程的指引下找到的。

寫下這一方程的，是英國理論物理學家狄拉克。

瞿立建 | 撰文

SAIXIANSHENG

預言反粒子

1927年，保羅·狄拉克25歲，博士畢業僅一年，即獲得劍橋大學圣約翰學院的教職。在那里，他有著非常舒適的工作環境，有住房，有仆人，每天專心于研究工作，偶爾上下課或做個報告。

狄拉克現在只專注于一項挑戰：尋找描述電子的相對論方程。

1924年，物理學家為解釋實驗數據，提出了電子自旋概念，即電子像陀螺一樣轉。但電子是點粒子，這一經典圖像不可能成立。需要新理論理解自旋。

這一新理論應將量子理論與愛因斯坦的狹義相對論結合起來。狄拉克決定構建出相對論量子力學方程。

狄拉克列出相對論量子力學方程應具備的性質，然后嘗試一個又一個方程，在年底取得了突破，得到了他想要的方程——從他的方程可以自然而然得到電子的自旋。

倫敦威斯敏斯特大教堂以狄拉克方程紀念物理學家保羅·狄拉克。圖源：wikicommons

論文于1928年2月1日發表，立即引起轟動。美國物理學家約翰·斯萊特(John C. Slater)贊道：很難想象，除了狄拉克，還有誰會想出這個方程。它顯示了直覺天賦的獨特力量，這種天賦，除狄拉克外無人能及?！?/p>

不過，很多物理學家對狄拉克方程心存疑慮。

狄拉克從他的方程中解出4種電子，其中一對電子具有正的能量和自旋，另一對電子具有負的能量和自旋。負能量電子很難令人接受，因為原子中正能量的電子會躍遷至負能量狀態，原子將毀滅，世界將不復存在。

泡利諷刺說：理論提出者應將理論應用于自身，狄拉克應該和他的理論一起湮滅。

一些物理學家的反對并沒有給狄拉克帶來太大困擾，狄拉克說：方程的美感比符合實驗更重要。隨著時間的流逝，一切都會變得合理。

狄拉克就對原子依然穩定給出了一個“合理”的解釋：負能量電子在真空中，并將所有負能態填滿，真空可以看成負能態電子形成的大海（現在成為狄拉克海，Dirac sea），而正能量的電子則在這個海面上運動。由于所有負能態都已經被電子占據了，因此不會有電子從正能態躍遷到負能態，否則會違反泡利不相容原理。

狄拉克的解釋帶來了新的問題：正能態沒有被電子填滿，狄拉克海中電子可以躍遷至正能態，一個電子如果發生了這種躍遷，它會在狄拉克海留下一個“空穴”，這個空穴會有怎樣的性質呢？

理論上，這個空穴應該與電子的性質正好相反，是個帶有正電荷和正能量的粒子。但有這樣的粒子嗎？

狄拉克海示意圖。電子將負能態填滿，形成狄拉克海，圖中藍色部分。電子躍遷到正能態，留下的空穴為電子的反粒子。圖源：wikicommons

狄拉克說這個粒子就是質子。物理學家很快推證出，這是不可能的，空穴粒子必須與“普通”的電子完全相同，除了電荷相反之外。

這種帶正電的電子存在嗎？

存在。這種電子被美國人卡爾·安德森（Carl David Anderson）在研究宇宙線時意外發現了。這種粒子后來命名為正電子。后來，他用伽馬射線照射其他物質，產生了正電子-電子對，從而獲得了正電子存在的更確鑿的證據。安德森因發現正電子獲得了1936年的諾貝爾物理學獎，時年31歲，成為史上第二年輕的諾貝爾物理學獎得主。

狄拉克的理論也適用于其他費米子，比如質子，質子也應該有一個對應的帶負電的質子，可稱為反質子。

受安德森發現正電子實驗的啟發，物理學家們紛紛在宇宙線中尋找反質子，結果沒有了安德森的好運氣，沒有找到。

既然找不到天然的，美國物理學家決定制造一個。為了制造反質子，美國興建了一座新的加速器——Bevatron，中文名：高能質子同步穩相加速器。

SAIXIANSHENG

發現反質子

Bevatron于1954年竣工，次年達到其能量指標。制造反質子的實驗于1955年8月開始。

一束質子加速到62億電子伏的能量，與銅靶碰撞，產生大量粒子，向四面八方飛出，其中有質子、中子、介子，數量最多的粒子是介子，數量是反質子（如果有的話）的4萬倍。物理學家需要在10微秒內找出其中可能存在的反質子，否則反質子會遇到質子而湮滅。

將產物導入磁場中，根據粒子偏轉方向，可將帶正負電荷的粒子分開。然后將帶負電的粒子通過一磁透鏡系統聚焦，篩選出動量與反質子預期動量相符的粒子。

這束粒子由帶負電的π介子和可能存在的反質子組成，將與兩個相距12米的塑料盤相撞，相撞時會發出閃光，根據閃光的時間間隔可區分出π介子和反質子，因為前者比后者快11納秒。

該實驗不能排除一種情況：一個π介子在第一個塑料盤處閃光后，它前面的一個π介子在第二個塑料盤處閃光，時間間隔正好與反質子的預期間隔相同。

為排除這種情況，物理學家們設計了另一個實驗。

物理學家將粒子束穿過電介質，它們的速度超過介質中的光速，會產生切連科夫輻射（Cherenkov radiation），切連科夫輻射的波前是以粒子為頂點的錐面，類似快船激起的錐形尾波。粒子速度越快，錐頂角越小。

物理學家將粒子束先通過氟碳化合物液體，只有比預期的反質子運動地更快的粒子激發切連科夫輻射，然后將將粒子束通過石英，這次只記錄以反質子的預期速度前進的粒子的切連科夫輻射。

以上分析于1955年9月21日完成，初步確認反質子的存在。

幾天后，物理學家拍下了反質子遇到照相乳劑中的質子或中子而湮滅的狀況，確認了反質子的存在。

反質子湮滅。反質子湮滅。一個反質子（藍色）與一個質子碰撞而湮滅，釋放的能量產生了四個正π介子（紅色）和四個負π介子（綠色）。最右邊的黃色條紋是一個μ介子，它是相鄰π介子的衰變產物。（深藍色的卷曲部分是從原子中撞出的低能電子，與反質子沒有相互作用。）圖源：伯克利實驗室

反質子實驗幾位科學家，從左至右依次為埃米利奧·塞格雷（Emilio Gino Segrè，1905年1月30日—1989年4月22日）、克萊德·維甘德（Clyde Wiegand ，1915年5月23日—1996年7月5日)、愛德華·約瑟夫·洛夫格倫（Edward Joseph Lofgren ，1914年1月18日—2016年9月6日) 、歐文·張伯倫（Owen Chamberlain，1920年7月10日—2006年2月28日），托馬斯·約翰·伊普西蘭蒂斯（Thomas John Ypsilantis，1928年6月24日—2000年8月16日) 。圖源：伯克利實驗室

1955年10月18日，加州大學伯克利分校舉行新聞發布會，宣告了這一重大發現，引起巨大轟動。有媒體稱，物理學家做出可怕的新粒子，人接觸到這種粒子就會爆炸，顯然這位記者誤解了粒子湮滅的本質。高能物理實驗至今已經產生了數萬億個反質子，未發生過造成人員死亡的事件。

11月1日，發現反質子的論文發表在物理評論上（Phys. Rev., 1955, 100, 947）。

SAIXIANSHENG

后續影響

正電子發現之后，一些物理學家曾下注賭反質子是否存在。現在到了這些物理學家兌現賭約的時候了。比如理論粒子物理學家Maurice Goldhaber賠了500美元（購買力相當于現在的6000美元）。

反質子實驗的領導者埃米利奧·塞格雷和歐文·張伯倫獲得1959年諾貝爾物理學獎。

反質子的發現直接激勵了高能物理實驗技術的發展，促使實驗高能物理學家建造更大的加速器，發展更精確的粒子飛行時間探測器，研制反質子儲存和減速裝置，并對反質子做更精確的測量，并探索反質子的應用，比如治療癌癥、成像、深空航天器推進等（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 1989, 40–41, 1322; Hyperfine Interactions, 1997, 109, 155; Frontiers in Physics, 2014, 1, 37; Hyperfine Interactions, 2003, 146, 319）。

反質子的發現，以及之前正電子的發現，向物理學家強烈暗示，其他粒子的反粒子乃至反物質不再是異類的存在，這激勵物理學家找到它們。

反質子的存在還強化了物理學家秉持的一個深刻觀點：自然界遵循某些對稱性。這進一步凸顯了對稱性在現代物理學中作為指南針的作用。

另外，這一發現還引發了新的宇宙學問題。如果反物質是可以存在的，那么為何可觀測的宇宙中絕大多數是由物質構成的呢？宇宙中物質與反物質的數量的不對稱性是怎么來的？這一難題至今仍困擾著宇宙學和高能物理學。如果物質與反物質精確相等，精確湮滅，也就不會有我們思考這二者為何有差異。

在實驗室之外，反質子還激發了文藝工作者的靈感。反物質湮滅成為了未來能源和科幻引擎的靈感源泉，從通俗雜志到電影《星際迷航》都有涉及。

不過，文藝工作者還遠沒有充分挖掘出反質子的科學震撼。比如，從反粒子、反物質是不是可以推廣開去，太陽系、銀河系乃至整個宇宙是不是都有一個相反的鏡像，一旦相遇，化為一場災難性煙花。

最后奉送一條安全小貼士：“慎照鏡子”。

參考文獻：（上下滑動可瀏覽）

[1] Scientific American, 1956, 194, 37

[2] https://cern-courier.web.cern.ch/a/fifty-years-of-antiprotons

[3] https://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2005/October/01-antiproton.html

[4] https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=32852

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Antiproton

本文轉載自《賽先生》微信公眾號

《物理》50年精選文章