【物理新知】正反原子核比一比

■位於歐洲核子研究組織(CERN)的LHC的ALICE實驗,對實驗所產生的原子核跟反原子核作了精準的測量以比較其荷質比。在目前的實驗誤差範圍內,正反原子核的荷質比是一致的。

The ALICE experiment.Conditions of Use © 2006-2015 CERN
The ALICE experiment.Conditions of Use © 2006-2015 CERN

撰文|陳勁豪

英國物理學家Paul Dirac在1928年提出了正電子(正式名稱為正子),也就是跟電子質量相同,卻帶著相反電荷的電子。自此之後便開啟了反物質的概念。簡單的說,反物質跟物質的質量相同,電荷量相同,但是符號相反,就像之前提到的電子與正子,或是質子與反質子(質子帶一個正電荷,反質子帶一個負電荷)。

反物質聽起來相當神奇,尤其是在科幻小說裡面常常會提到反物質,還有各式各樣天馬行空的用途。實際上,反物質並不虛幻。在高能粒子物理實驗室中,例如LHC的質子對撞,每次對撞都會產生無數的反粒子。即便在日常生活中,反物質離我們的生活也不遠。醫院中常用的PET造影,全名是正子斷層造影(positron emission tomography)便會利用到正子。

發現反物質對物理界最大的影響之一,便是物理學家發現,他們可以找的粒子忽然多了一倍,所以多了非常多事情可以做。最重要的課題,便是以實驗方法測量正反物質的性質,看看這兩者是不是跟理論預期一樣,除了電荷符號相反之外,其他性質都一樣。最常見的方法是測量兩者的電荷與質量的比例。因為兩者帶的電荷都是基本電荷的整數倍,唯一的差別是兩者所帶的質量。所以藉由測量荷質比,物理學家可以仔細研究正反物質的性質。

但是要製造反物質並不如想像中簡單。除了正電子之外,幾乎所有的反物質粒子都相當難以產生。但是對位於LHC的ALICE實驗來說,製造反物質並不是困難的事情。ALICE實驗是LHC的四個大型實驗之一,主要的研究任務是研究高能量鉛原子對撞後所產生的夸克膠子電漿的性質。鉛原子在LHC加速至原子中的每個質子與中子都帶有1.38TeV的能量,因此對撞時每個核子對的質心對撞能量是2.76TeV。因為鉛原子的質子跟中子共有208個,因此鉛原子對撞時會放出相當巨大的能量,把質子跟中子融化並釋放出無數的夸克與膠子。在這個超高溫狀態幾乎相當於宇宙大爆炸後0.000001秒的狀態。這個狀態帶有約略相同數目的夸克與反夸克,可以進而組成原子核與反原子核。

ALICE實驗可以精確的分離出氫原子核(一個質子),氘(一個質子加一個中子),氚(一個質子加兩個中子),還有氦三(兩個質子加一個中子)及上述各個原子核的反物質。從測量的結果發現,再實驗誤差內,各個正反原子核的荷質比都一致,也就是看不出任何差異。這是目前對反物質原子核,尤其是比質子重的原子核中,所得到的最精準的結果。

CERN的另外一個實驗BASE也是測量正反質子的荷質比,只是他們是把質子跟反質子冷卻到極低能量來進行精確測量,所以實驗環境與能量激烈的ALICE完全是兩回事。但是這兩個實驗都得到相同的結論。這正是物理學有趣的地方。

原始論文
Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei
ALICE Collaboration
Nature Physics (2015) doi:10.1038/nphys3432

參考資料
CERN Press Release 2015/08/17: The ALICE experiment at CERN makes precise comparison of light nuclei and antinuclei

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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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