消失的反物質——正子發現歷史

電影《天使與魔鬼》中,各勢力覬覦的「反物質」,由於具有釋放摧毀性能量的能力,而被保管在極機密的地方。在現實世界中,反粒子只是一種物理理論預測的粒子還是真實存在?反物質是否有實際的用途?物理學中未解的重子不對稱問題又和反物質有何關聯?在這系列的文章中,我們將會帶讀者一起了解這些問題。

撰文/劉詠鯤

反粒子,是一種和正常粒子具有一模一樣性質,唯獨帶有相反電荷的粒子。以電子來說,其反粒子為帶正電的「正電子」(或稱正子)。聽起來反粒子和一般粒子也沒太大的區別?沒錯,理論上來說,正常粒子可以組成的所有物質,反粒子也可以組成相對應的「反物質」。真正讓事情有趣的,是粒子與反粒子相遇時發出的「火花」。當它們相遇時,會完全消失(湮滅),將兩者的質量,全數以能量的方式釋放出來。但是在日常生活中,我們從來沒看過這樣粒子界的「煙火」,那麼反粒子是否只是個存在物理理論中的假想粒子呢?

●反粒子的發現

1928年英國物理學家狄拉克(Paul Dirac)在嘗試結合狹義相對論以及量子力學時,發現了一個奇特的「副產品」:他推導出的理論(現稱狄拉克方程式)可以準確的描述電子的性質,但同時也預測有一種帶正電的粒子存在。由於質子是當時已知帶有正電的基本粒子,也許這個理論預測的正電粒子就是質子?但是更深入的研究表明,這個正電粒子的性質與電子一模一樣,唯獨電荷相反。當時已發現的粒子無一滿足此條件,這意味著該理論預言了一種尚未被發現的粒子應該存在!

反粒子的理論模型看起來十分漂亮,但是在實驗驗證前,依舊還只是個假說,而這個驗證人們沒有等太久。1932年,美國物理學家安德森(Carl D. Anderson),帶著雲霧室至山上拍攝宇宙射線的軌跡。在諸多軌跡中,有一道十分獨特:它和電子相反,意味著這個粒子帶有正電。很自然的,質子這個可能選項又浮現出來,但是隨著分析軌跡在外加磁場下的迴轉半徑,發現它的質量遠比質子來的小,且應該非常接近電子。將此結果發表後,眾人很快意識到這就是狄拉克理論中所預言的「正子」,這也是第一次反粒子出現在人們眼前。由於這些明確的貢獻,狄拉克與安德森相繼於1933及1936年獲頒諾貝爾物理獎。

●幫粒子拍照—雲霧室

物理學研究中,各種粒子的發現對於建構、測試理論來說十分重要。在目前的研究中,新粒子主要是透過粒子對撞機,將粒子加速到極高能量,互相撞擊。就如同將兩個物體以高速相撞,能量夠高時,物體便會被撞得支離破碎,將更細微的組成成分顯露出來。但在20世紀初期,粒子對撞機還不存在時,新粒子是如何發現的呢?[1]

在大自然中,其實有個天然的粒子加速器存在,而且它還能將粒子加速到遠超過人類目前所能及的能量!那就是我們的宇宙。在宇宙中,存在著各式各樣的機制,可以將粒子加速到極高能量,像是太陽風、超新星爆炸、黑洞噴流…以及其它我們尚未明瞭的機制。這些高能量的粒子充滿宇宙,當它們穿過大氣層時,會和其中的各種原子發生交互作用,產生大量的次級粒子。這個過程(如圖一),就像淋浴時的水柱,因此得名「粒子射叢」(Particle Shower)。發現正子的安德森,便是觀察這些來自天外的訪客時,從中找到正電子的蹤影。

圖一、電腦模擬一個高能量的中子,進入大氣層產生之大量次級粒子。這些次級粒子組成複雜,包含質子、中子、電子、正子、緲子…等各式各樣之粒子。(圖片來源:Dinoj Surendran)

 

雲霧室的發明可以追溯至1911年,威爾遜(C.T.R. Wilson)利用機械的方式將容器體積瞬間膨脹,使容器內的水蒸氣達到過飽和狀態。過飽和水蒸汽處於一種不穩定的狀態,只要受到擾動,水氣便會凝結。當宇宙射線裡的帶電粒子通過雲霧室時,會將氣體分子游離,水氣便會在這些離子附近凝結,形成一條明顯的軌跡(如圖二)。如此一來,帶電宇宙粒子的踪跡便能被顯示出來。加上磁場,研究其偏轉半徑,我們便能得到粒子的質量、速度、帶電等資訊。這個裝置在早期基本粒子發現中具有舉足輕重的地位,威爾遜也因此獲得1927年諾貝爾物理獎。

圖二、正電子的第一張雲霧室照片。中央水平的黑色區域為鉛板,用來使高能量粒子減速。正電子由左下角進入,由於外加磁場,形成一個弧形軌跡。經過對軌跡的分析,安德森發現它不可能為質子產生,應該是一種新的粒子:正電子。 (圖片來源 [2])

在物理學中,各種突破大致上有兩種途徑:第一種為在實驗中,發現無法解釋的事物,經過仔細研究提出相對應的理論進而解釋;另一種則是從數學出發,對大自然做出預測,實驗學家再驗證該猜想。反粒子的發現即屬於第二種,充分展現了數學、理論的神奇。在下一篇文章中,我們將會介紹反粒子的應用,它和我們日常生活的距離,遠比想像中來的還要近!

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[1] 20世紀初期儘管沒有現代的「對撞機」,但當時依然有許多重大發現是透過粒子對撞所得。例如拉塞福利用阿法射線撞擊金箔,發現了原子核的存在。

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參考資料:

[1]物理雙月刊--粒子物理行(九)反物質
[2] Anderson, Carl D. (1933). "The Positive Electron". Physical Review 43 (6): 491–494

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