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!

圖片來源:Pixabay

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。

圖一、正子電子偶的組成大約可以想像成正子與電子互相環繞(圖a),但準確來說電子與正子的位置並非只會出現在虛線軌道上,而是具有一定的位置機率分布(圖b藍色線。示意圖,非實際波函數型式。),因此正子電子偶中,正子與電子具有非零的機率相遇,進而互相湮滅。

 

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

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