反物质怎么来的?如何制造?

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2023年,PUMA 的小卡车被交警拦下。

交警:车上运的什么?

司机:反物质。

交警:少来。打开看看。

今天介绍世界上最贵的“物质”,它们不能摸,一摸就消失。但是,科学家们却可以把它们装起来。这是怎么回事呢?

参考资料 nasa?等

编译 七君

我们的世界是由物质构成的,也就是电子和夸克等粒子构成的。不过呢,这些粒子都有反粒子,也就是除了电荷相反以外,其他方面一样的“孪生”粒子,它们就是反物质。

反物质是首先被数学预言,然后才被找到的东西。

1928年,量子力学奠基人保罗·狄拉克在解方程的时候发现方程存在2个解,类似于 (x2-1)=0有+1和-1两个解一样。不过,狄拉克没有排除另一个解,而把它写到了论文?The Quantum Theory of the electron 里面。

1931年,他又发了一篇叫做 Quantised Singularities in the Electromagnetic Field的论文,描述了反物质存在的可能性。

一年多后的1932年,有人(美国物理学家 Carl Anderson)居然真的拍到了一种反物质——正电子的照片。因此,人们开始重视起狄拉克对反物质的预言,并开始寻找其他反物质。

1932年,Carl Anderson拍到的云室里的正电子轨迹,中间的是6毫米厚的铅板。

@wikipedia

虽然能够拍到反物质,但是制造和捕捉它们又是另一回事了。科学家在2010年才首次成功捕捉了反物质。

捕捉反物质的难度在于,它们在宇宙中很少见(不然宇宙可能早就不存在了),而且遇到物质会爆炸,俩俩碰碰乐相消,同时释放出能量,这个过程叫做湮灭。0.25克的物质和0.25克的反物质相遇湮灭释放出的能量,等同于5千吨的TNT。

而且,反物质是世界上最昂贵的东西。

根据 NASA 在1999年公布的消息,一克反物质的制造成本是6.25*1013美金。2015年的制造成本的数量级也在万亿美金的级别,小国恐怕举全国之财力都造不出来。

不过呢,我们生活中会遇到反物质。

例如,香蕉会产生一种反物质——正电子。一根香蕉平均每天会释放出15个正电子,因为你的香蕉里含有微量的钾40(钾的一种同位素),而钾40会发生放射性衰变,并在这个过程中释放出正电子(正β衰变)。当然,你吃下含有钾40的其他食物,也会产生正电子。

钾40有多种衰变途径,其中一种是β+衰变,释放出正电子并衰变为氩40。

除了香蕉里的反物质,科学家们也曾经观测到雷暴产生反物质的证据。还有,医学上常用的正子断层照影(PET)就是利用正电子进行的。

正子断层照影(PET)设备

@uiowa

PET 技术常常被用来检测癌症和脑部成像。PET 利用能够产生正电子的放射性同位素,让它们和人体内的物质,比如葡萄糖结合。这些物质接着会释放出正电子并和人体内的物质接触湮灭,湮灭的过程产生伽马射线,就可以被检测到了。

正子断层照影(PET)产生的图像

@seeker

地球的磁场也类似于一个反物质阱,能困住反物质。科学家们也也曾经在地球附近的范艾伦辐射带里找到了反质子。

地球的范艾伦辐射带的艺术描绘

@NASA/Scientific Visualization Studio

所以问题来了,既然香蕉也会产生反物质,为什么反物质还这么贵呢?

因为,要大量制造和储存反物质很不容易。

美国费米国立加速器实验室(Fermilab’s Tevatron particle accelerator)总共产生了15 纳克(1纳克 = 1克的十亿分之一)的反质子(带1个单位负电荷,类似于质子的反物质),欧洲核子研究中心(CERN?)制造出了1 纳克的反质子,德国电子加速器(DESY)制造出了2 纳克的正电子。

CERN

@seeker

2015年时,储存1克反物质需要2.5*1016千瓦时的能量。2023年,CERN 公布,BASE 实验成功无损地在6 开尔文(-267 摄氏度)的真空中储存了几粒反质子1年。CERN 称,这些反质子是宇宙中最冷也是最长寿的反物质。

所以,天价反物质是怎么制造的呢?在瑞士日内瓦,有制造反氢(氢的反物质)的工厂。一起来看看吧。

CERN 的反物质工厂

@CERN

科学家们首先用质子同步加速器,让质子加速,然后使其和一些金属(如镭)相撞,产生的物质中有一些是反质子。然后,用磁场可以过滤这些粒子,因为反物质的电荷和普通物质相反嘛。

CERN的质子同步加速器

@CERN

不过呢,反质子没有颜色也没有气味,用肉眼无法分辨。好在,反质子有独特的电磁频率,能让科学家检测它们的存在。

接着,反质子要通过这个六角形的仪器 ELENA(extra low energy antiproton ring)。ELENA是一个减速器,它可以把反质子减速50倍(从5.3MeV减速到0.1MeV)。

让反质子减速的六角形装置 ELENA

然后,减速后的反质子和正电子结合,就可以形成反氢原子了。

氢(左)由质子和电子构成,反氢(右)由反质子和正电子构成。

对了,反氢和氢的颜色是一样的。2023年4月,CERN 的 ALPHA 课题组发表在《自然》上的研究指出,反氢和氢的颜色没有差别。

氢弧灯中氢原子被激发时产生的颜色

@NASA-Ames

最关键的问题来了,既然反物质和物质相遇会湮灭,那么怎么储存反物质呢?

还记得吧,某些反物质也是带电的,比如正电子,所以可以用磁场困住它们。其中一种反物质陷阱,叫做彭宁离子阱,它类似于小型的加速器,可以困住反质子和正电子。

CERN 的 BASE 实验采用的彭宁离子阱

但是它对中性粒子,比如反氢没有用,因为反氢不带电。对于这类不带电的反物质,要用 Ioffe-Pritchard 阱(IP trap)来装。

不过呢,现在我们还没有办法带着大量反物质到处走。

把反物质装到卡车里,然后运到几百米外的地方,是 CERN 的一个叫做 PUMA 的研究项目的目标。PUMA 想要在2023年把含有反物质的阱装到卡车上,然后运到几百米外的另一个实验场地 ISOLDE。

这样费劲,是因为 ISOLDE 这里会产生稀有的放射性原子核,这些原子核会很快消失,因此无法搬运,只能让别人自己过来先。反物质运过来以后,就会和这些短命的放射性原子核碰撞,这样科学家就可以研究这些珍稀原子核的结构了。

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