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欧洲核子中心要送出“超级快递”:用卡车运输10亿个反物质

作者:虞涵棋 文章来源:澎湃新闻 发布时间: 2018-02-26 字体:【】【】【

  以发现“上帝粒子”闻名的欧洲核子中心(CERN)是世界上最大的粒子物理实验室,也是生产反物质等神奇粒子的超级工厂。然而,由于反物质十分不稳定,与正物质相遇就会瞬间湮灭,这个工厂长期以来只能“自产自用”。 

  近日,欧洲核子中心启动了一项新研究,计划在4年内实现超高难度的反物质“快递”:用卡车一次性运输10亿个反质子,利用电磁场设置一个接近宇宙星际空间的真空“陷阱”,让这些粒子在零下270度中储存数星期之久。 

   难度是毋庸置疑的。目前,人类最多试过一次性储存百万级别数量的反质子;而如果要储存几个星期的话,就只能保证几十个。 

  

  利用电磁场设置真空管“陷阱”,困住约10亿个反质子 

  

  “这简直是科幻小说里的情节。”印第安纳大学伯明顿分校的理论核物理学家Charles Horowitz评价道。 

  拦截狂奔的反质子 

  狄拉克在1928年预言了反粒子的存在:每一种粒子都有存在一种和它的质量、寿命、自旋严格相等,但电荷相反的反粒子。 

  因此,反质子是一种质子的严格镜像,带有负电荷。 

  1954年,加州大学伯克利分校利用当时最高能的质子同步稳相加速器探测到了反质子的存在。 

  不过,加速器产生的反质子接近光速,直到欧洲核子中心在1980年代逐渐建成了反质子减速器,将反质子的速度降到光速的十分之一以下,才拦下了这些在真空管中“狂奔”的奇妙粒子,用以研究和实验。 

  2002年,欧洲核子中心将正电子和反质子直接,在受控条件下实现了反氢原子的“量化”。 

  目前,人类对反物质仍了解甚浅,留有大量谜团,比如:宇宙中的正物质为何远远多于反物质?尽管如此,科学家们已经开始利用它们进行实验了。 

  主导反物质“快递”项目的德国达姆施塔特理工大学物理学家Alexandre Obertelli说道:“反物质一直在被研究,而现在已经可以被用于探测物质了。” 

  比如,距离CERN反质子工厂几百米的稀有放射性同位素实验组,就很需要反质子。 

   湮灭 

  

  欧洲核子中心的ISOLDE离子束装置是生产放射性同位素的工厂

  

  原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。常见原子核中的质子和中子数大体相当,然而,一些同位素原子核中含有额外的中子,具有放射性。 

  额外的中子数会带来一些奇特的现象。比如,一些同位素原子核具有一层质子数多于中子数的“表皮”,或者像锂11一样,额外的中子拓展出独立的轨道,形成“光晕”,大大增加了原子核的体积。 

   反质子既能与质子相遇湮灭,也可与中子相遇湮灭。通过测量反质子与两种正粒子湮灭的频率,科学家们就能得出两种粒子在原子核边缘的相对密度。 

  

  锂11原子核中,中子拓展出独立轨道,形成“光晕”

  

  为什么用别的方式很难测量呢?这是因为,这些放射性同位素寿命很短,会迅速衰变,而正反粒子湮灭的速度更快,能赶在同位素衰变前进行测量。 

  从同位素窥见中子星 

  不过,了解这些稀有同位素原子核并非科学家们的终极目标。这些富含中子的小小原子核,对应着浩瀚宇宙中最奇妙的一种天体:中子星。 

  中子星几乎完全由中子构成,是目前已知的最小、最致密的恒星,一茶匙中子星物质就重达10亿吨,其产生的引力场与黑洞相当。目前,人类发现的中子星平均半径在12公里左右,质量却普遍达到1.4倍太阳。 

  而这种致密天体的核心,压缩着科学家尚不理解的秘密。但这个秘密,很有可能揭开宇宙中重元素的起源。 

  科学家们相信,这个秘密可能在富含中子的同位素原子核“表皮”和“光晕”中找到答案。