消失的反物質——生活中的反粒子

科幻味十足的反粒子，總令人覺得它只存在神秘的理論世界中。然而，反粒子實際上早已走入我們的身邊，成為一種可靠的醫療診斷方式；由一般粒子與反粒子共同組合而成的獨特原子，也已在科學研究中扮演十分重要的角色。反粒子與我們生活的距離，遠比我們想像中的近！

撰文／劉詠鯤

在《消失的反物質—正子發現歷史》一文中，我們介紹了電子的反粒子：正電子（簡稱正子）的發現故事。當電子與正子相遇時，會互相湮滅，將兩者的質量全數以電磁波（伽瑪射線，）型式釋放。這個電磁波具有特定的頻率，因此具有非常高的可識別性。當我們偵測到該頻率的電磁波時，便有高機率能推斷在某處有電子與正子發生湮滅。由於這個特性，正子可以被用來進行身體組織照影，該技術稱為「正子照影」。

●正子照影

既然是用作身體組織照影，代表正子應該要有機會和身體內部組織的電子相遇。如果正子是從體外進入，那絕無可能進入到身體內部，畢竟體表細胞具有的無數電子都會和正子反應。因此，正子必須在身體內部產生！有些人造元素在衰變的過程中，會釋放出正子。經由將這種人造元素和人體代謝所需物質（例如葡萄糖）結合，再注入人體內後，這種人造代謝物質會隨著血液被輸送到全身。人造葡萄糖產生的正子與其附近組織電子互相湮滅後，產生的伽瑪射線便能被體外的偵測器偵測到，如此便能將代謝物質在身體內的分布情況描繪出來。

了解代謝物質跑哪去重要嗎？正常情況下，體內不同組織具有不同的代謝速率，例如心臟代謝速率較快，我們可以預期會產生較高的訊號。但若是出現異常高的訊號，這代表某個組織具有異常高的代謝速率，很可能代表惡性腫瘤的存在。因此，目前正子照影結合電腦斷層掃描，被視為早期惡性腫瘤診斷的一大利器。

經由偵測正反粒子湮滅訊號，來回推組織內部的技術，除了被應用於醫療用途外，還被用於高分子材料[1]結構探測中。但該技術使用的並非正子，而是一種被稱為正子電子偶（Positronium）的奇特「原子」。

●正子電子偶是什麼？

一般的原子，是由帶正電的原子核以及外圍帶負電的電子組成，由於原子核質量遠大於電子，因此我們大致上可以將這個系統想像成電子環繞著原子核旋轉，如同地球繞著太陽公轉。而正子電子偶則不同，它僅由一顆電子和一顆正子組成，由於兩者質量相同，它們更像是雙星系統般以彼此的中心互相環繞。我們現在已經十分了解，以行星繞轉模型來描述原子是不完整的。在真實的原子世界中，必須要從量子的角度，才能準確描述整個系統。在正子電子偶中，如果正子與電子真的如雙星系統般互相環繞，由於兩者並無機會相遇，整個系統應該十分穩定。然而，真實情況是，正子與電子的波函數，其實有部分重疊（如圖一），因此具有一定機率正子與電子會相互湮滅，轉化為能量。這個機率可以透過量子力學計算，準確推算出這種原子的半衰期。

應用正子電子偶於高分子材料內部結構檢測的技術，稱為（Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy，正電子湮滅譜技術）。這種量測設備目前仍十分少見，但其基本概念並不難懂。一個獨立於環境的正子電子偶，其半衰期為142奈秒[2]。當正子電子偶被射入高分子結構中時，由於正子會和物質結構中之其他電子互相湮滅，因此正子存活時間會大幅縮短。結構中物質密度較高的區域，正子更容易遇到電子，具有更短的衰變期。透過偵測湮滅所放出的訊號強度、分布，便得以回推高分子的內部結構。

這種原子在物理理論研究中，還具有十分獨特的角色。目前物理學家利用「標準模型」來描述組成這個世界的所有物質以及它們之間的各種交互作用力。一般的原子，其原子核與外圍的電子之間透過電磁力互相作用，描述它們行為的理論被稱為「量子電動力學(Quantum Electro Dynamics, QED)」。QED提供了物理學家描述量子世界的工具，具有非常高的準確度，例如：它對於精細結構常數[3]（Fine Structure）的預測值，和實驗結果相差不到一億分之一。而原子核內發生的事主要包含電磁力以及強力[4]，強力由「量子色動力學（Quantum Chromo Dynamics, QCD）」來描述。但對於正子電子偶來說，它們之間只透過電磁力互相作用，因此這樣一顆「原子」是純粹的QED系統，提供一個測試理論非常乾淨的環境。在2020年8月《物理評論快報》的一篇論文中[1]，科學家研究正子電子偶系統，發現實驗數據與QED理論預測並不一致。如果實驗是正確的，那意味著QED其實仍有不完備的地方，新的物理在等著人們去發掘。

儘管反粒子逐漸以各種形式進入我們的生活中，漸漸褪去其神秘的面紗。但仍有個疑問尚未被解答：「反粒子為何數量遠少於一般粒子？」。這也是目前物理學界的未解之謎：重子不對稱問題，我們將在下一篇文章中介紹這個議題，以及它目前相關的研究進展。

註解：
[1] 由數千個以上原子以共價鍵聚合而成的巨型分子，例如：蛋白質、核酸或塑膠等皆屬於高分子。
[2] 此半衰期與正子電子偶處於何種能階狀態有關，142奈秒為Ortho-positronium基態之半衰期。
[3] 描述電磁作用（物質與光交互作用）強度的重要常數。
[4] 此處僅指將原子核內粒子束縛在一起，涉及到的作用力。若是粒子的衰變，則屬於弱作用力的掌管範圍。

參考資料：

[1]L. Gurung et al., Precision Microwave Spectroscopy of the Positronium n=2 Fine Structure. Phys. Rev. Lett. 125, 073002, 2020.
[2] Bailey, D.L et al., “Positron-Emission Tomography: Basic Sciences”, Springer-Verlag. 2005
[3]PAS檢測技術之原理與應用—材料世界網