質子跟反質子是對稱的雙胞胎

■CERN的BASE實驗對反質子的荷質比(charge and mass ratio)進行了精準的測量,並與質子的荷質比相比較。結果發現,除了電荷相反外,兩者的荷質比相當一致。

(Image: CERN)
BASE實驗所用的實驗裝置示意圖。首先接收由反質子減速器(Antiproton Decelerator, AD)送來的反質子,並儲存在儲存阱(Reservoir trap)裡面。當用測量阱(measurement trap)測量反質子的時候,反氫原子則是在下游暫存電極(downstream park electrode)中待命。當測量完反質子後,他們會把反質子移到上游暫存電極(upstream park electrode),然後把負氫原子移到測量阱中測量。反覆測量數千次後,便可以得到相當精準的荷質比。(Image: CERN)

撰文|陳勁豪

自從物理學家迪拉克提出反物質的概念後,很快的反物質就從一個物理的概念變成近代物理中不可或缺的一部分。物理上認為所有的反物質跟物質只有所帶的電荷相反,其他物理性質都一樣。日常生活中最常遇到的反物質是正子,是電子的反物質。正子帶正電而電子帶負電。當正子跟電子相遇的時候,兩者會相互湮滅而產生能量。

電子本身是沒有構造的物質,但是具有複雜結構的物質是否也是除了電荷之外,其他的物理性質都一致?為了研究這個問題,物理學家決定研究質子跟反質子的電荷與質量的比值。質子跟反質子各帶一個電荷,只是符號相反。理論上這兩者的質量應該一致。在物理的術語中,表示是質子經過CPT變換後變成反質子的性質不變,或稱為CPT守恆。CPT分別代表電荷(charge),宇稱(parity),時間反演(time reversal)三個對稱性同時改變。

所以如果測量出質子跟反質子的荷質比不一致,那便會直接挑戰現有的物理理論。因為目前的物理理論表示,所有物質都是CPT對稱的。

測量質子與反質子荷質比的實驗由位於CERN的BASE實驗進行。BASE實驗是Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (重子反重子對稱性實驗)的簡稱。他們將反質子束減低能量後引進實驗區域儲存,然後一次把一個反質子跟一個負氫離子(帶有一個負電荷的氫原子)放進彭寧阱(Penning trap),然後測量反質子跟負氫離子的迴旋頻率(cyclotron frequency)。帶電粒子在磁場中的迴旋頻率只與帶電粒子的電荷,質量,跟外加磁場有關,所以只要知道外加磁場強度,及迴旋頻率,物理學家便可以精準的得到帶電粒子的荷質比。

選擇負氫離子來跟反質子比較的理由是,負氫離子是由質子加上兩個電子所構成,相當於是一個氫原子加上一個負電荷,所以質量跟反質子接近(多了兩個電子),而且電荷跟反質子相同。所以在測量迴旋頻率的時候,可以用同樣的電場加速,而不用改變儀器的電場方向以減少實驗誤差。不過也因此,在量荷質比的時候,要把負氫離子所多帶的兩個電子的貢獻考慮進去並移除。

實驗結果顯示,質子跟反質子的荷質比差距為一兆分之69 (69x10^-12),是目前對質子跟反質子荷質比最精準的測量。精準度比過去類似的實驗提高了四倍。這也再次確認了物理定律在目前的測量技術下,依舊遵循著CPT對稱性質。

原始論文
High-precision comparison of the antiproton-to-proton charge-to-mass ratio
Nature 524, 196–199 (13 August 2015)

參考資料
CERN Press Release 2015/08/12: The BASE experiment at CERN compares protons and antiprotons with high precision

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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