科學家創造出迄今最重的反物質原子核

原子示意圖。(Shutterstock)

 

【大紀元2024年10月14日訊】（大紀元記者薛止墨編譯報導）科學家製造出了有史以來最重的反物質原子核，雖然它僅由四個反物質粒子組成，但這個數量已經相當多了。反物質是通過將相似的粒子撞擊在一起，直到它們分裂並爆炸而製造的。雖然粒子對撞機的研究成本高昂，但反物質研究在理論和醫學上都具有重要價值。

 

反物質（antimatter）聽起來像是科幻小說中的概念，但它卻非常真實。正電子（positron）或許是最著名的反物質，它為艾薩克‧阿西莫夫科幻小說中的機器人和《星際迷航》（Star Trek）裡的安卓（Android）機器人提供動力。正電子在大約100年前被發現，是電子（electron）的反物質形式。1950 年代，科學家們又通過高速撞擊質子從而得到反質子。

 

位於紐約州長島的布魯克海文國家實驗室有一台「相對論重離子對撞機」，它通過加速粒子並將其撞擊在一起，而重現接近大爆炸的條件，藉此將粒子分裂為物質和反物質。最近，科學家利用這台對撞機發現了一種名為反超重氫-4（antihyperhydrogen-4）的反物質超重原子核。這項新研究已於8月21日發表在《自然》（Science）期刊上。

 

這一極其重要的發現包含一個反質子、兩個反中子和一個反 Lambda 超子，這些粒子都是從猛烈的碰撞中飛出。但要理解這一切的意義，人們需要做一些深入的解釋。

 

其實，反粒子被發現只是遲早的事情。當一個粒子受到強力撞擊時，照理說應該會被摧毀。然而，這其實會產生一個反粒子，然後兩者在微小的納秒瞬間內飛開。由於它們帶有相反的電荷，粒子和反粒子會被彼此吸引回來，然後粒子會湮滅掉。整個過程所需的時間極其微小，並且需要消耗極其巨大的能量，因此在對撞機中製造出比單個反粒子更大的任何東西都是非常困難的。

 

但這並非完全不可能。科學家們多年來已經製造了多對粒子-反粒子，而做出新發現團隊的目標是使用一種特定的粒子來創造有史以來最重的反物質粒子：超重氫（hyperhydrogen）的反粒子。超重氫是一種含有一個額外粒子的重氫原子核，其成分包括一個質子，兩個中子，及一個被稱為Lambda的超子，這個超子與質子和中子來自同一家族，但內部具有不同的三夸克組合。Lambda 超子的反粒子，即反 Lambda 超子，不穩定並會導致整個反原子核迅速分裂。

 

新研究新發現

 

然而，在那發生之前，這個反原子核的確形成了超重氫的反粒子鏡像的核心——反超重氫原子核。實際上，在這種情況下，它是反超重氫-4的核心，這是一種包含四個反粒子的同位素。

 

「在分析了大約 66 億次重離子碰撞事件的實驗數據後」，參與該項目的博士生吳俊霖在聲明中解釋道，「我們從其衰變產物中重建了反超重氫-4，並識別出約 16 個反超重氫-4的信號。」換句話說，這種反同位素衰變得如此之快，以至於其化學和物理特徵實際上只存在於它留下的殘跡中，而不是反同位素本身，這些殘跡包括反氦原子核。

 

研究反物質是宇宙學和天體物理學的重要組成部分，因為這些反應在非常年輕的宇宙中會自然發生，並且在宇宙中的某些特殊條件下仍然會持續發生。此外，反物質還為正電子發射斷層掃描（PET掃描）提供了動力，即人體內的正電子與電子相互作用而湮滅，產生伽馬射線，這些伽馬射線可以被測量以評估身體各項生理過程的運作情況。

 

這種應用使人們更有理由持續探索反物質的奧秘。然而，目前人們對反物質的理解仍然非常有限。在基本層面上，人們無法解釋為何在物質和反物質以相等比例產生並相互分離的情況下，觀測到的宇宙中卻存在如此多的物質而如此少的反物質。大部分反物質究竟去哪裡了？

 

責任編輯：李宇圓