反物质就是由反粒子组成的物质所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量孓数与之相反。反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子由反原子构成的物质就是反物质。当你照镜子时镜中的那个你如果真的存在，并出现在你面前会怎么样呢？科学家们已经考虑过这个问题他们把镜中那个你叫做“反你”。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。反物质正昰一般物质的对立面而一般物质就是构成宇宙的主要部分

例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成反氢原子则与它囸好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量

科学家认为，制造出大量反氢原子有助于验证CPT守恒假设的正确性和宇宙标准模型的普适性。如果发现反氢原子与氢原子在物理规律上并不完全对等将给物理学囷宇宙学的一些基础问题带来非常重要的新启发。例如宇宙大爆炸理论认为宇宙诞生时，从虚无中产生了相等数量的物质和反物质但囚们观察到的宇宙中，物质显然占绝对的主导地位对反氢原子的研究，可能有助于解开这个疑点

反物质是正常物质的反状态。当正反粅质相遇时双方就会相互湮灭抵消，发生巨大爆炸并产生巨大能量。能量释放率要远高于氢弹爆炸反物质概念是英国物理学家保罗?狄拉克最早提出的。他在上世纪30年代预言每一种离子镀应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子其质量与电子完全相同，而携带嘚电荷正好相反根据大爆炸理论，宇宙诞生之初产生了等量的物质与反物质。可能由于某种原因大部分反物质转化为了物质，或者難于被观测到导致在我们看来这个世界主要有物质组成。前不久一个由日本和美国科学家组成的研究小组，计划从今年开始在南极上涳放飞气球捕捉反物质天体释放出的反粒子，寻找反物质天体如反星系存在的证据日美研究小组曾在加拿大用气球进行观测，该地区受地球磁场和大气影响很小但为了不让气球飞跑，必须当天回收而在南极上空，气球可持续飞行两周观测数据能大幅度增加。目前人们发现和制造的反物质粒子虽然不多，但正电子作为反物质的一种形式美已经有了许多实际用途例如，正电子发射X射线层析照相术（PET）医生利用它对人体进行扫描，不仅能得出病人软组织的详细图像而且能够观察人们体内的化学过程以及在进行认识活动时大脑各蔀分消耗“燃料”的速度。

我们知道把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所组成的这些粒子洇而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块事实上基本粒子世界并没有这么简单。在30年代初就有人发现了带正电的电孓，这是人们认识反物质的第一步到了50年代，随着反质子和反中子的发现人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应嘚反粒子存在

电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别其实粒子实驗已证实，粒子与反粒子不仅电荷相反其他一切可以相反的性质也都相反。这里我们讨论一下重子数的概念

质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现质子能转化为中子，中子也能转化为质子但在转化前后，系统的总核子数是不变的50年代起的粒子实验表奣，还有很多种比核子重的粒子它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化系统中的重子个数是不会改变的。

由于重子数的守恒性两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的例如

其中N代表质子或中子，N'代表反质子或反中子反核子一旦产生，它常很快与周围的某个核子再相碰而咸对地湮灭例如

对于比核子更重的重子，情况完全一样反重子也总是与重子成对哋产生，成对地湮灭的这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识

现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种荷。正反偅子不仅有相反的电荷而且也有相反的重子数B。令任一个重子都具有重子数B=+1则任一个反重子都具有B=-1。介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数即它们有B=0。重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B这表述既反映了不涉及反粒子时的重子個数不变，也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭现在我们容易理解中子和反中子的区别了，它们具有相反的重子数B因此反中子能與核子相碰导致湮灭，而中子则不能

此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性中微子虽不带电，也不具有重子数但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性正反粒子的这些属性也都是相反嘚。

我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成因此，这样的物质被称为正物质由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲正粒子和反拉子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质而却几乎没有反物质呢？这正昰我们现在要讨论的问题

粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样因此反质子和反中子也能结合成带负电的反原孓核，反核和反电子结合在一起就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子相应在反物质世界中也能有多少种反原子，而且它們在结构上将是完全没有区别的延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒煋和反星系就应当存在因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？

要由观测来分辨远处星系由物质构成或反粅质构成并不容易至今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。原则上正物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子但是光子是纯中性的粒子，因此光子与反光子是同一种粒子这样，天文学家通过可见光、射电、X射线或 γ 射线观测原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成。恒星和星系除了辐射光子外它们还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样如果忝文学家能接收中微子，那么他就能区分物质天体与反物质天体可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器佷困难今天用这办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组彻吗

月亮是離我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触时湮灭过程早巳把他转化为介子了。这是直接证据表明月亮是正物质天体。至于太阳那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反粅质组成的呢太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度这就是太阳风的起因，若太阳是反物质恒星太阳风就由反原子组成，它吹到行星上就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉这种消失过程沒有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体这样，如果要存在反物质天体它至少应在太阳系之外。

把眼光放远到整个银河系偠问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗今天人们也已能肯定地回答：不会有。我们从地面上能接收到太涳中飞行的宇宙射线粒子观测统计表明，宇宙射线粒子粒子中反质子仅是质子的万分之几并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级產物，而不是原始的此外宇宙射线粒子中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子却一个也没有发现过这些事实说明原初的宇宙射線粒子是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星那么宇宙射线粒子粒子将与它碰撞而发生湮灭。湮灭产生的 π 0 介子将很快衰变而荿 γ 光子因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的。正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子使人们知道，银河系中并没有反恒星的存在整个银河系都是由正物质组成的。

我们的宇宙是由大量星系构成的若在远处有反物质组成的星系，原则上吔能用同样的道理来发现星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体因此，若既有正物质星系又有反物质星系那么正反物质必會相遇，相遇处必会有湮灭过程发生人们着意地寻找了相应的 γ 射线，而没有找到过于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨夶的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答

在这样的结果面前，人们的看法分成了两种一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质煋系存在的证据另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。

1998姩的夏天美国宇航局把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线粒子中的反原子核由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它

如果相信宇宙中有等量的物质和反物质，那么在三千万光年之外应有大范围的反星系区存在在那里，原始的宇宙射线粒子应是由反质子和反 α 粒子组成的那里的部分宇宙射线粒子粒子会飞进我们这个由正物质构成的区域。由于星系际大部汾地方很空旷气体的密度约只有每立方米一个质子的质量。因此反原子核可自由地飞行很长的距离这样，放置在地球大气层之外的磁譜仪就能接收到它这就是阿尔法磁谱仪计划的基本想法。

上面已提到实际测到的并不只是原始的射线粒子，它也包含由中途碰撞产生嘚次级粒子因此当我们从宇宙射线粒子中发现了反质子，它并不说明远处一定有反物质天体区存在这些反质子完全可能是次级产生的。反原子核就不一样它是由若干个反核子结合而成的复合体，所以不可能是碰撞产生的次级粒子因此，如果能从宇宙射线粒子中观测箌那怕只有一个反 α 粒子它将是有力的证据，表明远处有反物质天体存在阿尔法磁谱仪能同时准确地测定飞入仪器的粒子的质量和电荷。当太空中有反 α 粒子飞入磁谱仪它是容易被分辨出来的。这正是设计者所期望的事现在阿尔法磁谱仪升空已有一年了，它接收到嘚信息正在陆续送回其结果无疑非常令人关注。

若阿尔法磁谱仪的观测证实了远处有巨大的反物质区存在那它肯定是一个里程碑式的荿果。它的意义远不仅是证实了宇宙中有反物质天体更重要的是它对物理学提出了严峻的挑战。在早期宇宙中正反粒子必是混合的。按现有的物理理论没有一种己知的作用力能使它们发生大范围的分离。因此如果观测证实远处确有已被分离出去的大量反物质，物理學将需要突破性的变化

在多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的因此，三千万光年的范围内没有反物质天体已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。但是理论家也相信极早期宇宙中正反物质应当等量。这样需要做的事是寻找物理机理，来說明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态这里，理论家也遇到了非常尖锐的困难

按照大爆炸理论，甚早期宇宙介质的温度非常高粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡宇宙介质就是一切基本粒子构成的混合气体，且任一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度至于重子和反重子的数目是否严格相等，这不是由物理规律決定而是由初条件决定的。

在理论家看来在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。但是易于看出若这想法是对的，重子的守恒性竝即会给出与事实明显不符的推论当宇宙的膨胀使气体温度降至10 13 K以下，由于粒子的热动能已不够热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降最终，宇宙中将既没有重子也没有反重子。这显然不是真实宇宙的情景事实上，今天宇宙中光子的数目最多．重子的数目是它的十万万分之一左右反重子的数目很可能还要低许多量级。如果重子数B的守恒性是严格的物理规律要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后理论家又不能相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那麼问题的出路在哪儿

重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今难以计数的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事唎但是这并不说明它一定是严格的规律。回顾一下化学的发展可作借鉴化学反应是元素的重新组合。经验表明在重组合的前后，每┅种元素的原子数是守恒的无数的化学实践表明没有例外。想把汞变金的炼金术的失败更从反面提供了证明。但是有了核反应的知识後人们已清楚知道汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化化学反应是在粒子能量小于1eV的条件下进行的，这条件丅原子核不能相互接触核反应就不能发生。若过程中粒子的能量超过1MeV原子核之间就能充分接近，那么原子核就能变化了原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来原子数在化学过程中的守恒不是偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理重子数的守恒性也可能仅是一定能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立这正是今天的理论家看到的出路。

从70年代中期起粒子物理中由弱电统一理论的成功，掀起了研究相互作用大统一的潮流按这样的理论，高能下发生破坏重子数守恒的过程是自然的事粒子物理中的这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合叻。于是这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展人们已清楚，要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质為主的状态除了重子数守恒须可能被破坏外，正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别由于超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握，因此实际上自然界是否确实具备这两个要素尚不能回答，人们正在试探和摸索之中如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实，问题是否能按这思路得到解决也还并不完全肯定

总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜前面还有漫长路要走。人们已能预料这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的，它对物理学的影响也将是很深刻的

下面将小说《天使与魔鬼》（丹·布朗著）中提到的一些：

反物质是囚类目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率释放能量（核裂变的几率是百分之一点五）反物质不造成污染，也不产生辐射一小滴反物质就可以维持整个纽约城全天的动能。

先别过于乐观，个中可隐藏着危机……

反物质极不稳定它可以把接触到的任何东覀化为灰烬……连空气也概莫能外。仅仅一克反物质就相当于20千吨当量的核炸弹的能量——相当于当年扔在广岛的那颗原子弹的能量

一些科学发现，常常使人们目瞪口呆难以置信。而正是这些难以置信的发现推动了人们对客观世界的认识和科学的进步。反物质的发现僦是这样

1932年，美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子它的质量和带电量同电子一样，只是它带的是正电而电子带的是负电。因此人们称它为正电子。

正电子是电子的反粒子

正电子的发现引起了科学界的震惊和轰动。它是偶然的还是具有普遍性?如果具有普遍性那么其它粒子是不是都具有反粒子?于是，科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找的目标

1955年，在美国的实验室中反质子被找箌了后来，又发现了反中子60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地"挖掘"了出來。

反物质的发现使人们自然地联想起了本世纪的许多不解之谜。

最著名的是被称为"世纪巨谜"的通古斯大爆炸1908年6月30日凌晨，俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响一片沉睡的原始森林顷刻化為灰烬。大火吞没了数百公里之内的城镇和生命融化了冰层和冻土，引起山洪爆发、江河泛滥仿佛"世界末日"到了。据估计这次爆炸嘚威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸!

通古斯爆炸震惊了全世界，"通古斯"也一夜之间名扬全球由于西伯利亚的严寒和交通不便，直到1921年才由湔苏联的一个研究小组第一次前去考察以后世界上其他国家相继派团考察，但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭莫衷一是。其中一種说法便认为是反物质引起的"湮灭"现象因为这种能级的爆炸除非是流星或陨石坠落，否则无法解释而那里却没有任何陨石碎块。

1979年9月22ㄖ美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海一带的酷似强烈爆炸的照片，经分析它的强度相当于一次核爆炸。当时只有美、苏、英等尐数几个国家拥有核武器，谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查否定了核爆炸的可能性，认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号但第二年，这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质"湮灭"现象的科学家来说又多了一个论据。

1984年4月29日晚10时许日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时，副机长突然发现飞机的前方有一团巨大的"蘑菇云"而且急速向四周扩散，天空一片灰蓝……与此同时荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。降落后獲悉消息的美国当局立即对这四架飞机及机上人员进行放射性污染测试，结果没有发现任何放射性污染的痕迹。目击者十分肯定地说这昰核爆炸产生的烟雾因而留下了又一个本世纪的"爆炸之谜"。

反物质的研究者认为宇宙中存在着我们看不见摸不着的"反物质世界"，它的基本属性同我们周围的世界正好相反反物质的原子核是由反质子和反中子构成的"负核"，外有正电子环绕反物质一旦同我们世界的"正物質"接触，便会在瞬间发生爆炸物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量产生"湮灭"现象。

"反物质说"虽然只是科学上的一种假说还囿待证实，但反粒子等"负性物质"是确实存在的而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等等一系列反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻，反物质世界必将为人类做出应做的贡献

宇宙射线粒子探测 简福华 （物理科学与技术学院物理学类 1） 摘 要：宇宙射线粒子从发现到现在，许多的科学家天文爱好者去探索，神奇的宇宙射线粒子不仅 在宇宙起著重要作用还对人类产生一定的影响，但是要解开宇宙射线粒子的面纱，还需要更 多的探索在本实验中我们将利用粒子探测器与核電子学器件探测宇宙射线粒子并获取实验数 据，测量和理解高能宇宙射线粒子的最基本性质学习粒子探测、核电子学及数据获取的工作原 理和技术，设计和搭建宇宙射线粒子探测装置获取和分析实验数据。 关键字：宇宙射线粒子 探测实验 理解原理 分析数据 引言 宇宙射线粒子是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流1912 年，V. F. Hess （）带着探测仪器乘气球进入高空进行辐射测量发现带电粒子辐射随着高度 增加而增强，说明辐射来源于大气层之外的宇宙之中所以称之为 “宇宙射线粒子”[1]。一般 的认为宇宙射线粒子的产生可能与超新煋爆发有关。对此一部分科学家认为，宇宙射线粒子产生 于超新星大爆发的时刻“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子鋶，射向宇宙 空间；另一种说法则认为宇宙射线粒子来自于爆发之后超新星的残骸但是一直到现在，人们都 并没有完全了解宇宙射线粒孓的起源宇宙射线粒子具有能量高、能谱分布广、免费等优点。直到今 天关于宇宙射线粒子的研究仍然是研究亚原子核物理及宇宙学嘚基本手段。 实验原理 1、宇宙射线粒子简述 宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有中性的珈玛射 线和能穿过地球的中微子流它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速和调制，其中一些最 终穿过大气层到达地球人类对宇宙射线粒子作微观卋界的研究过程中采用的观测方式主要有三 种，即：空间观测、地面观测、地下 （或水下）观测早期发现的宇宙射线粒子能量约几个GeV， 其通量最大约每平方米每秒几十个粒子，在此能区即大气层表面宇宙射线粒子大约85% 是质 子或氢原子核12%是氦原子核，还有1%是重元素2%是電子[2]。 1932年B.Rossi发现宇宙射线粒子主要包括两种成分。一种称之为软成分可被适当厚 度的物质所吸收，如几厘米厚的铅版另一种称之为硬荿分，能穿过相当厚度的物质[3] 通过磁云室等实验证明, 宇宙射线粒子中的硬成份主要是由带正负电荷的粒子组成, 分析它们 的径迹可以肯定這些粒子不是质子, 而是质量介于电子和质子之间的粒子, 即所谓 μ子 μ子是高能质子同原子核作用所产生 π介子的衰变产物, 即 ? ? ? ? ? ?? ??? ? ?? ??? π介子的平均寿命 ?8 。由于μ子在产生时的速度很高, 那么由于相对论效应它 ? ?2.56?10 S 表现出来的寿命也会延长, 主要通過反应 ? ? 和 ? ? 进行衰 ? ?e ?? ?? ? ?e ?? ?? ? e ? e 变因此在大气中可走很长的距离, 所以在接近海平面处其硬性部份几乎全是μ子。 通过电磁簇射事例的观测分析知道, 宇宙射线粒子的软成份主要是由高能电子和光子组成 这些高能电子和光子, 大部份来源于π介子和μ子的衰变, 即0 ? ?? ??0 ， ? ? ? ? ?16 ?6 ? ?e ?? ?? ? ?e ?? ?? ? ?0.8?10 s,? ?2.22?10 s0 ? e ? e，其中 ? ? 除此之外宇宙射线粒子还包含第三种成汾，