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一克62.5萬億刀 世界上最昂貴的物質卻近在咫尺

宇宙初期,天文學家推測宇宙都是夸克等離子體,之後在較低的溫度和密度下,宇宙有了更穩定的質子和中子。但直到宇宙進一步冷卻,才能夠自動產生電子和正電子對。

我們生活在一個物質的世界裡,這是因為物質的數量超越了反物質。物質與反物質?好奇怪的概念,什麼是反物質,反物質與物質之間有什麼關係?本文我們將探討關於反物質的諸多問題,首先我們需要確定一點,那就是反物質確實存在。很多朋友一說到反物質,就好像覺得這是科幻,其實反物質是真實存在的,它就好像是物質世界的「鏡像」世界。

物理學家們通過實驗發現,物質和反物質是在宇宙誕生時等量產生的。當它們相互作用時,物質和反物質粒子會相互摧毀並抵消,如果這樣的話,我們的宇宙應該什麼都沒有,只擁有能量。但是很奇怪的是我們生活在物質的世界,可以看出,物質「戰勝」了反物質。為了解釋這種不平衡,物理學家們開始尋找物質和反物質粒子行為的不對稱性,他們稱之為電荷奇偶對稱性的抵消行為。

幾十年來,科學家們已經探測到夸克(原子的組成部分)與其反粒子之間的對稱性破壞行為。然而,這種相互摧毀的反應不能解釋宇宙中反物質是如何消失的。現在,物理學家們發現另一條道路很有希望解釋這個問題,那就是反中微子或反氫原子行為之間的不對稱性。

少量反物質會以宇宙射線的形式不斷地降落在地球上,宇宙射線是來自太空的高能粒子。這些反物質粒子以每平方米不到1個到100個的速度到達我們的大氣層,物理學家們還在雷暴上空看到了反物質存在的證據。

其實反物質不僅存在,而且它就在我們身邊。例如,香蕉就會產生反物質,香蕉大約每75分鐘釋放一個正電子,相當於一個電子的反物質。香蕉中含有少量鉀-40,這是鉀的一種天然同位素。當鉀-40衰變時,它偶爾會在衰變過程中產生一個正電子。我們的身體也含有鉀-40,這意味著正電子也會從你的身上散發出來。反物質一旦與物質接觸就會立即消失,這些反物質粒子的壽命非常短。

如何製造和保存反物質?

剛才我們說到,現代科學家觀測到的反物質粒子主要是反中微子和反氫原子,中微子是一種非常輕的基本粒子,它是組成物質的基本粒子之一。這些中微子可以穿過任何物質,很難被發現,很難精確研究。現在科學家們發現有三種類型的中微子存在,分別是電子中微子、μ介子中微子和τ中微子。為了研究這些難以捉摸的中微子,科學家們進行了實驗,使用的是μ介子中微子和μ介子反中微子的交替激光光束,這兩種交換中微子是由J-PARC研究中心的粒子加速器製造的。

這是用於結合正電子和反質子以產生反物質原子的設備

J-PARC發射的中微子或反中微子束的一小部分被探測到了,物理學家們使用的是超級神岡中微子探測器中50000噸純水的攔截光模式,該探測器是在1000米深的一個廢棄礦井中重建的。中微子雖然能穿透一切,但是它們的穿透行為還需要時間。所以在中微子穿透的過程中,科學家們發現一些μ子中微子和反中微子的振蕩過程呈現出了另一種物質形態,成為了電子中微子。

所以根據實驗,中微子和相關的反中微子極有可能有不同的行為,這為解釋物質和反物質之間的不對稱性提供了一個方向,這些觀測也可以解釋宇宙中神秘的反物質是如何消失的。

對於物理學家來說,哪怕是一點點反物質也是寶貴的禮物。通過將物質與其對應反物質進行比較,他們可以測試粒子物理學標準理論模型的基本對稱性,並尋找未來新物理學的方向。不過,這個禮物確實太難包裝,相比於製造反物質,更難的是如何保存。

前些時候歐洲粒子物理實驗室的物理學家們成功地將單個反氫原子限制在了一個磁阱中,整個過程持續了170毫秒,物理學家們在這之後又重複保存了38次。雖然只有170毫秒,但是物理學家們還是欣喜若狂,因為五年的努力,就是為了這170毫秒的「包裝」。

之後物理學家們設法將正電子的38個反質子送入對撞軌道,從而產生了反氫原子,這些反氫原子在磁阱中保持了十分之三秒。現在,物理學家們已經可以使用改良後的裝置讓反氫原子保持16分鐘。16分鐘的時間就可以使反氫原子有足夠的時間穩定到其基態,這是粒子或原子可以達到的最穩定狀態。

世界上最貴的物質——難以大規模應用

讓反物質長時間保存和大規模生產反物質是其應用的最大難題,目前,反物質是地球上最昂貴的物質,每克的價格大約有62.5萬億美元。物理學家們估計,改進捕獲反物質的設備會使反物質的價格降到每微克5000美元左右(1微克等於0.000001克)。所以物理學家們正在加大反物質粒子的產量,比如最近物理學家改進了費米實驗室中的注入器,使產量增加了10倍,從每年1.5納克增加到了15納克(1納克等於0.000000001克)。有趣的是,人類製造的所有的反物質所帶來的能量都不夠煮一杯茶……

現在,由於反物質的保存方式和生產方式非常複雜,成本極高,所以大多數反物質實驗還停留在實驗室階段。不過,就目前來說,反物質是我們了解宇宙中基礎粒子和宇宙演變方式的一把鑰匙,它可以幫助我們揭開宇宙早期甚至是大爆炸瞬間的粒子狀態,豐富多重物理學模型。而在未來,反物質與物質的電荷奇偶對稱性也會有很大的利用價值,反物質本身也正在被大家熟知。

責任編輯: zhongkang   來源:搜狐 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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