【物理新知】測量反物質間的作用力

■美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory, BNL)的STAR實驗利用高能量的金離子碰撞所產生出兩個反質子──反質子對(anti-proton pair)，他們首次測量了反質子對之間的作用力。

撰文｜陳勁豪

物理學家對反物質一直有相當大的好奇心。一般認為在宇宙誕生之際，物質跟反物質的數量應該一樣多。但是在目前的宇宙中並非如此，而是物質為主的世界。因此要仔細測量反物質的性質便一直是相當困難的問題，因為要測量反物質，必須先製造出足夠多的反物質。

物質跟反物質在物理上，根據CPT守恆，被認為是除了電荷相反之外，其他所有性質都應該相同的雙胞胎。而除了電子之外，反質子一直是物理學家研究反物質的主要粒子，因為反質子是由夸克所構成，研究反質子的作用性質不但可以增加我們對反物質的認識，同時可以驗證強作用力在反物質之間的行為。

這次物理學家要挑戰的，是反質子對(anti-proton pair)之間的作用力。反質子帶有一個負電荷，在一般的情況下兩個反質子會因為同性電荷的緣故而相互排斥。但是在距離相當接近的時候，強作用力的強度會大於電荷相斥所產生的庫倫作用力，因此反質子間會產生吸引力。

但是要把兩個反質子壓縮到如此接近的距離相當困難，因此物理學家決定利用特別的方法來研究這個問題。他們利用位於美國布魯克海文國家實驗室的「相對論性重離子對撞機(Relaticistic Heavy ion Collider, RHIC)」來把金原子加速到每個質子跟中子都帶有100GeV的能量後進行對撞。這時產生的能量密度相當大，會使對撞的金原子對變成一種新的物質型態，稱為夸克膠子電漿(quark-gluon plasma, QGP)。這時從夸克膠子電漿中會產生上千個粒子，其中約有3-4%是反質子，科學家便可以從中進行測量。

這個測量由BNL的研究員Aihong Tang主導。他們利用測量反質子對的HBT關聯性來測量反質子對之間的作用力。測量到的結果同時與質子對所做的相同測量進行比較。得到的結果顯示，反質子對之間的作用力與質子對之間的作用力完全一致，在實驗誤差範圍內看不出差別。

這個實驗結果相當重要，這是科學家可以測量反質子對之間的作用力。科學家普遍認為根據CPT守恆，質子跟反質子的作用力應該完全一致，這也是實驗所得到的結果。但是從另一方面來看，如果有超越目前標準模型的現象會導致CPT不守恆的話，那麼這個效應應該會相當小，至少目前的實驗無法測量。這樣一來，也等於是對這些超越目前標準模型的理論設下了限制。

原始論文
Measurement of interaction between antiprotons
Nature (2015)
doi:10.1038/nature15724

參考資料
BNL News 2015/11/04: Physicists Measure Force that Makes Antimatter Stick Together
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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。