“反物质”不再遥不可及：国内首次利用超强超短激光产生反物质
出品：科普中国
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2016年3月10日，中国科学院上海光机所强场激光物理重点实验室宣布其利用超强超短激光成功产生了反物质——超快正电子源，这也是我国科学家首次利用激光成功产生反物质，这一发现将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断等领域具有重大应用。
这一重要发现再次引起各界对于“反物质”的关注，而这一经常出现在科幻电影中的名词其实并没有那么神秘和遥远，我国科学家近年来在反物质领域也取得了许多突破性进展。
图1
国内首次！我国科学家成功利用激光产生反物质
上海光机所强场激光物理重点实验室利用飞秒拍瓦激光装置和高压气体靶相互作用，产生大量高能电子，高能电子和重核材料靶相互作用，由韧制辐射机制产生高强度伽马射线，伽马射线再和重核作用产生正负电子对。正电子谱仪经过精心设计，成功解决了伽马射线带来的噪声问题，利用正负电子在磁场中的不同偏转特性，实验中在单发条件下就成功观测到了正电子。这也是我国首次利用激光产生反物质。
上海光机所早在2001年就开始超强超短产生正负电子对的理论研究，提出利用强激光和纳米薄膜靶相互作用产生正负电子对。该工作在国际上得到了广泛关注，超强超短激光产生的超快正电子源，获得反物质超快正电子源将对激光驱动正负电子对撞机等具有重要意义。未来，在高能物理、材料无损探测、癌症诊断领域都有广泛的应用前景。
图2 超强超短激光产生正电子示意图
揭秘反物质的“前世今生”
我国科学家首次成功获得反物质引起了科学界的巨大反响，那么究竟何为反物质？反物质的发现经历了怎样的历程？科学界普遍认为，宇宙起源于大爆炸，之后逐渐演化、发展、膨胀，直至今天的物质世界。科学家们认为在大爆炸的初期，物质与反物质几乎是对称存在的。但是，为什么自然界中充满肉眼可见的普通正物质，但却看不到反物质呢？反物质是否存在？存在的形式又是怎样？这也是现代物理学研究的基本问题之一。
图3 反物质示意图
反物质的概念由英国物理学家狄拉克于1931年因为狄拉克方程负能解问题而首次提出。1932年安德森在宇宙射线中发现正电子；1955年塞格雷和张伯伦通过伯克利的同步稳相加速器把质子加速后打到铜靶上而发现了反质子；1956年考克等人利用反质子轰击质子，在湮没过程中观察到了中子和反中子，其他的反粒子也在随后的科学实验中被逐渐发现，众多的诺贝尔奖工作成果让反物质的概念开始深入人心。
简言之，物质和反物质是对称的，其所有的性质或是相同或是相反。在这个逻辑下，如果用反质子和反中子代替原子核中的质子和中子的话，就得到一个反原子核。如果再配以正电子，就形成反原子，例如欧洲核子中心科学家实现的实验室捕捉反氢原子技术。再用反原子组成反分子，构成反物质。
国际首次：我国科学家发现反超氚核和反氦4
其实早在上海光机所成功获得反物质之前，国内在反物质领域的研究就已经取得了国际性的进展，中国科学院上海应用物理研究所马余刚等，就曾连续取得两项国际首次，即首次发现超氚核和反氦4，是迄今为止科学家发现的第一个反超核粒子和最重的反物质核。
2010年，国际螺旋管径迹探测器（STAR）协作组为探寻宇宙起源的早期物质状态，在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）上开展了实验研究。中国科学院上海应用物理研究所陈金辉、马余刚等与STAR协作组其他中外科学家合作，他们通过反氦３和π介子衰变道的不变质量谱重构，首次探测到第一个反超核粒子———反超氚核。这是迄今为止科学家们发现的第一个含有反奇异夸克的反物质原子核，它可能大量存在于宇宙的婴儿期。相关研究结果发表在2010年４月２日《Science》上。
图4 从末端(左图A)和侧面(右图B)看到的反超氚核事件在时间投影室中的飞行轨迹。图中径迹实线部分为时间投影室记录到的部分, 虚线段为延伸到碰撞顶点部分
2011年，STAR实验组在寻找到质量数等于3的反超氚核的基础上，通过其主探测器中的时间投影室(TPC)和中国STAR合作组研制的桶形飞行时间探测器(ToF)，在采集到的接近10 亿次金—金核对撞产生的约5千亿个带电粒子里找到了18个反氦4原子核。反氦4可能是未来很长一段时间内人类所能探测到的最重的反物质原子核，因为下一个更重的稳定反物质原子核产生的可能性是反氦4的百万分之一。其中起到关键性作用的ToF探测系统是由中美STAR合作组合作完成的， 探测器硬件和相应的物理部分是由STAR中国组研制完成的。马余刚及其领导的课题组与美国布鲁克海文国家实验室研究员唐爱洪等为主合作完成了这一重要发现。相关论文于2011年5月19日发表在《Nature》周刊上。
图5 STAR探测器结构示意图
从定性到定量：反物质相互作用的首次测量
目前为止，科学家们已经探测到了多种粒⼦对应的反粒子，即做了许多定性的观测，然⽽对反物质的定量研究却很少。以上海应物所研究⼈员为主的团队利用金核-金核碰撞中产⽣的丰富的反质子，测量了反质子-反质子动量关联函数，并⾸次定量地提取反质子-反质⼦相互作用参数。在实验精度内，反质⼦-反质子的散射长度和有效力程与质子－质子的是相等的，也就是说反物质间的相互作⽤与正物质并没有差别。在此次反物质间作用力的首次测量过程中，马余刚及其领导的课题组与美国布鲁克海文国家实验室研究员唐爱洪等合作， 从2012年初提出研究思路到历时3年多进行艰难的数据分析，为最终反物质间相互作用力的测量做出了关键性贡献。相关论文于2015年11月19日发表在《Nature》周刊上。
反物质究竟能给人类带来什么改变？
反物质从概念提出到目前取得的系列进展，显示了这个领域巨大的潜力。但是将反物质应用到人类生活的想法，现在还停留在科幻小说阶段。
但是以现有的发展速度，我们不难想象，利用反物质与普通物质湮没时能释放出的巨大能量，可以完美解决宇宙飞船的燃料问题，包括美国宇航局在内的一些专家已经在从事这方面的前沿研究，但目前进展非常缓慢。主要原因在两方面，其一是我们去哪里找反物质？既然宇宙中找不到反物质，人类只能自己去制造它。借助于传统加速器技术来产生反物质是一个普遍认可的方法，但是它的效率非常低，造价极其昂贵。其二是反物质的储存问题，即使到遥远的将来，人类可以理想的制造出反物质，怎么安全储存它将会是摆在科学家面前的另一个关键问题。但是当前反超氚核、反氦4的发现和反质子相互作用测量及其后续研究，无疑为反物质应用提供宝贵的信息。
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