3月，中國科學院上海光機所強場激光物理重點實驗室宣布其利用超強超短激光成功產(chǎn)生了反物質——超快正電子源，這也是我國科學家首次利用激光成功產(chǎn)生反物質，這一發(fā)現(xiàn)將在材料的無損探測、激光驅動正負電子對撞機、癌癥診斷等領域具有重大應用。
這一重要發(fā)現(xiàn)再次引起各界對于“反物質”的關注，而這一經(jīng)常出現(xiàn)在科幻電影中的名詞其實并沒有那么神秘和遙遠，我國科學家近年來在反物質領域也取得了許多突破性進展。
圖1 我國科學家成功利用激光產(chǎn)生反物質
上海光機所強場激光物理重點實驗室利用飛秒拍瓦激光裝置和高壓氣體靶相互作用，產(chǎn)生大量高能電子，高能電子和重核材料靶相互作用，由韌制輻射機制產(chǎn)生高強度伽馬射線，伽馬射線再和重核作用產(chǎn)生正負電子對。正電子譜儀經(jīng)過精心設計，成功解決了伽馬射線帶來的噪聲問題，利用正負電子在磁場中的不同偏轉特性，實驗中在單發(fā)條件下就成功觀測到了正電子。這也是我國首次利用激光產(chǎn)生反物質。
上海光機所早在2001年就開始超強超短產(chǎn)生正負電子對的理論研究，提出利用強激光和納米薄膜靶相互作用產(chǎn)生正負電子對。該工作在國際上得到了廣泛關注，超強超短激光產(chǎn)生的超快正電子源，獲得反物質超快正電子源將對激光驅動正負電子對撞機等具有重要意義。未來，在高能物理、材料無損探測、癌癥診斷領域都有廣泛的應用前景。
圖2 超強超短激光產(chǎn)生正電子示意圖
揭秘反物質的“前世今生”
我國科學家首次成功獲得反物質引起了科學界的巨大反響，那么究竟何為反物質？反物質的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了怎樣的歷程？科學界普遍認為，宇宙起源于大爆炸，之后逐漸演化、發(fā)展、膨脹，直至今天的物質世界。科學家們認為在大爆炸的初期，物質與反物質幾乎是對稱存在的。但是，為什么自然界中充滿肉眼可見的普通正物質，但卻看不到反物質呢？反物質是否存在？存在的形式又是怎樣？這也是現(xiàn)代物理學研究的基本問題之一。
圖3 反物質示意圖
反物質的概念由英國物理學家狄拉克于1931年因為狄拉克方程負能解問題而首次提出。1932年安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)正電子；1955年塞格雷和張伯倫通過伯克利的同步穩(wěn)相加速器把質子加速后打到銅靶上而發(fā)現(xiàn)了反質子；1956年考克等人利用反質子轟擊質子，在湮沒過程中觀察到了中子和反中子，其他的反粒子也在隨后的科學實驗中被逐漸發(fā)現(xiàn)，眾多的諾貝爾獎工作成果讓反物質的概念開始深入人心。
簡言之，物質和反物質是對稱的，其所有的性質或是相同或是相反。在這個邏輯下，如果用反質子和反中子代替原子核中的質子和中子的話，就得到一個反原子核。如果再配以正電子，就形成反原子，例如歐洲核子中心科學家實現(xiàn)的實驗室捕捉反氫原子技術。再用反原子組成反分子，構成反物質。
國際首次：我國科學家發(fā)現(xiàn)反超氚核和反氦4
國際首次：我國科學家發(fā)現(xiàn)反超氚核和反氦4
其實早在上海光機所成功獲得反物質之前，國內在反物質領域的研究就已經(jīng)取得了國際性的進展，中國科學院上海應用物理研究所馬余剛等，就曾連續(xù)取得兩項國際首次，即首次發(fā)現(xiàn)超氚核和反氦4，是迄今為止科學家發(fā)現(xiàn)的第一個反超核粒子和最重的反物質核。
2010年，國際螺旋管徑跡探測器(STAR)協(xié)作組為探尋宇宙起源的早期物質狀態(tài)，在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上開展了實驗研究。中國科學院上海應用物理研究所陳金輝、馬余剛等與STAR協(xié)作組其他中外科學家合作，他們通過反氦3和π介子衰變道的不變質量譜重構，首次探測到第一個反超核粒子———反超氚核。這是迄今為止科學家們發(fā)現(xiàn)的第一個含有反奇異夸克的反物質原子核，它可能大量存在于宇宙的嬰兒期。相關研究結果發(fā)表在2010年4月2日《Science》上。
圖4 從末端(左圖A)和側面(右圖B)看到的反超氚核事件在時間投影室中的飛行軌跡。
圖中徑跡實線部分為時間投影室記錄到的部分， 虛線段為延伸到碰撞頂點部分
2011年，STAR實驗組在尋找到質量數(shù)等于3的反超氚核的基礎上，通過其主探測器中的時間投影室(TPC)和中國STAR合作組研制的桶形飛行時間探測器(ToF)，在采集到的接近10 億次金—金核對撞產(chǎn)生的約5千億個帶電粒子里找到了18個反氦4原子核。反氦4可能是未來很長一段時間內人類所能探測到的最重的反物質原子核，因為下一個更重的穩(wěn)定反物質原子核產(chǎn)生的可能性是反氦4的百萬分之一。其中起到關鍵性作用的ToF探測系統(tǒng)是由中美STAR合作組合作完成的， 探測器硬件和相應的物理部分是由STAR中國組研制完成的。馬余剛及其領導的課題組與美國布魯克海文國家實驗室研究員唐愛洪等為主合作完成了這一重要發(fā)現(xiàn)。相關論文于2011年5月19日發(fā)表在《Nature》周刊上。
圖5 STAR探測器結構示意圖
從定性到定量：反物質相互作用的首次測量
目前為止，科學家們已經(jīng)探測到了多種粒子對應的反粒子，即做了許多定性的觀測，然而對反物質的定量研究卻很少。以上海應物所研究成員為主的團隊利用金核-金核碰撞中產(chǎn)生的豐富的反質子，測量了反質子-反質子動量關聯(lián)函數(shù)，并首次定量地提取反質子-反質子相互作用參數(shù)。在實驗精度內，反質子-反質子的散射長度和有效力程與質子-質子的是相等的，也就是說反物質間的相互作用與正物質并沒有差別。在此次反物質間作用力的首次測量過程中，馬余剛及其領導的課題組與美國布魯克海文國家實驗室研究員唐愛洪等合作， 從2012年初提出研究思路到歷時3年多進行艱難的數(shù)據(jù)分析，為最終反物質間相互作用力的測量做出了關鍵性貢獻。相關論文于2015年11月19日發(fā)表在《Nature》周刊上。
反物質究竟能給人類帶來什么改變？
反物質從概念提出到目前取得的系列進展，顯示了這個領域巨大的潛力。但是將反物質應用到人類生活的想法，現(xiàn)在還停留在科幻小說階段。
但是以現(xiàn)有的發(fā)展速度，我們不難想象，利用反物質與普通物質湮沒時能釋放出的巨大能量，可以完美解決宇宙飛船的燃料問題，包括美國宇航局在內的一些專家已經(jīng)在從事這方面的前沿研究，但目前進展非常緩慢。主要原因在兩方面，其一是我們去哪里找反物質？既然宇宙中找不到反物質，人類只能自己去制造它。借助于傳統(tǒng)加速器技術來產(chǎn)生反物質是一個普遍認可的方法，但是它的效率非常低，造價極其昂貴。其二是反物質的儲存問題，即使到遙遠的將來，人類可以理想的制造出反物質，怎么安全儲存它將會是擺在科學家面前的另一個關鍵問題。但是當前反超氚核、反氦4的發(fā)現(xiàn)和反質子相互作用測量及其后續(xù)研究，無疑為反物質應用提供寶貴的信息。
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