Anti-matter 反物質

朱明中香港中文大學物理系

mcchu@phy.cuhk.edu.hk

反物質• 甚麽是反物質？• 反物質有甚麼用？• 那裏 / 誰 / 如何找到反物質？• 為甚麼有反物質？• 反物質研究有甚麽新進展？

甚麽是反物質 ?

反粒子 (Anti-particle)• 對應每一種粒子，都有反粒子 (anti-particle)• 反粒子的絕大部分性質與其對應的粒子相同，但電荷 (electric charge) 相反

• 例如 : 電子 (electron) 帶負電荷，反電子 (positron) 帶正電荷，其他如質量等完全一樣 ; 質子 (proton) 帶正電荷，反質子帶負電荷

• 中子由夸克 (quarks) 組成，而夸克帶電荷，反中子由反夸克組成。反中子不帶電荷，但其磁矩 (magnetic moment) 與中子相反

+2/3

-1/3

-1/3

中子

N

+1/3

-2/3

+1/3

反中子N

粒子–反粒子相互湮滅 (annihilation)

正反氫原子湮滅所放射能量

粒子與對應的反粒子相撞有機會相互湮滅，質量完全轉化成能量／光子 E = mc2 。 例 : p + p →2 GeV ~ 3.2x10-10 J

p p

Credit: Michael Martin Nieto, Michael H. Holzscheiter, Slava G. Turyshev

反物質有甚麼用？

反電子放射層析掃描 (Positron Emission Tomography Scan)

http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography

以放射線同位素取代飲料中的一些份子，量度放射的反電子

http://www.crump.ucla.edu/software/lpp/lpphome.html

http://www.ihep.ac.cn/english/bepc-tue/index.htm

北京正負電子對撞機 (Beijing Electron Positron Collider)

能量又可轉化成粒子→製造重或迅速衰變的粒子

例如 : e+ + e- → J/Ψ

http://science.nasa.gov/newhome/headlines/prop12apr99_1.htm

A Penn State artist's concept of n antimatter-powered Mars shipwith equipment and crew landers at the right, and the engine,

with magnetic nozzles, at left.

正負物質湮滅是效率極高的能源 : 每克物質與反物質可轉化成 1014 J 能量 ~ 核電廠生產十小時，比核能高效一千倍以上

想像中利用電磁塲儲存反物質作太空船燃料

E = mc2

每克物質 = 9x1013 焦耳 (Joules)!~ 二千萬公斤黃色炸藥 氫彈 : 温度達三億度 !

反物質彈？http://www.people.com.cn/BIG5/keji/1058/2934434.html「炸藥」輕幾十至幾百倍，無殘餘輻射→「常規武器」

製造反物質• 一些不穩定核子會在衰變過程放射反電子，如 11C → 11B + e+ + e ( 核子內一質子變中子 )• 可以在加速器高能撞擊實驗中產生小量• CERN （世界最大加速器）每年製造的反物質只足夠一顆 100W 燈泡十五分鐘之用

• 加速器需大量能量，反物質能源效率只有0.00000001%

• 製造出的反物質亦難捕捉及儲存• 極昂貴 ! 每克約值 62.5 兆美元 ! ( 或可下降至

5 億美元 )

那裏 / 誰 / 如何找到反物質？

找尋反物質

太陽

怎知太陽是否反物質？

太陽風大部份是質子及電子

俱懷逸興壯思飛，

欲上青天攬星雲

不能單靠電磁波（光）等訊號而知道遠方星體是由物質或反物質造成，因放射的光譜完全一樣

找尋反物質

宇宙射線 (Cosmic Rays)• 宇宙射線 = 太空來的亞原子粒

子 (subatomic particles):

• 質子 (protons) ，電子，• 原子核 (atomic nuclei) ，• 光子 (photons) ...‧• 能量範圍極廣 , 高達 >1020 eV,

> 一億倍現今加速器最高能量• 相信是恆星死亡時爆炸造成

地球表面不斷受宇宙射線撞擊

• 1912: 赫斯 Hess 乘熱氣球升空至五千米高空發現宇宙射線愈高愈多

• 1932: 安德遜 Anderson 於宇宙射線中發現反電子

Carl Anderson

Victor Hess

Nobel Prize 1936 “for his discovery of the positron” (shared with Hess for discovery of cosmic rays)

安德遜發現宇宙射線中有帶正電荷的「電子」 (1932).

安德遜的雲霧室 (cloud chamber)

帶電荷 (q) 的粒子在磁塲中的軌跡半徑反比於電荷與其質量比例 q/m ，方向與電荷正負有關

B

R. Schlickeiser, Cosmic Ray Astrophysics, 2001

怎知粒子多於反粒子？

粒子

反粒子

宇宙射線成份分佈電荷

粒子

反粒子

能量 (eV)

銀河經度

銀河緯度 銀河核心 銀河平面

反電子雲

銀河系核心附近的反電子雲

怎樣知道是反電子？ 銀河核心

太陽

電子反電子湮滅放射511keV 伽瑪射線來源 ?

黑洞？中子星？暗物質？…

為甚麼有反物質？

Anti-particles 反粒子• 相對論 →能量 2 2 4 2 2

oE m c p c

om 靜止質量 (rest mass);

p 動量 (momentum)

c 光速

2 4 2 2oE m c p c 自然有負能量解 :

th1 1 2 2 3 3

2

...; energy state ( ),

probability in .

i i

i i

a a a i E E

a

量子物理 : 粒子之狀態為所有能量態的叠加

能量態

量子物理 + 相對論 →不可忽畧負能量粒子

Dirac 洞理論 (Hole theory) • 粒子為何不全衰變至負能量態？• Dirac: 負能量態已全被佔據！ Pauli Exclusion

Principle: 每一能階只容許一粒子（費米子） →真空亦充滿（負能量，看不見的）粒子

E

EE = 0

.

.

.真空 vacuum

EE = 0

.

.

.一粒粒子 one-particle state若負能量粒子被激發至正能量，便留下一個洞 hole

= 反粒子 E

E = 0真空產生正反粒子對

Paul A. M. Dirac

Nobel Prize 1933 “for the discovery of new productive

forms of atomic theory” (shared with Schroedinger)

量子力學的理論及方法

成功結合狹義相對論與量子力學，從而推算出反粒子的存在，及電子自旋 (spin) 的源頭

量子塲論 (quantum field theory) 的先驅者

1930 ‘A Theory of Electrons and Protons’

1931 positron

狄拉克的貢獻

Dirac 與 Feynman

Feynman費曼的理論

( , ) exp[ ( ) / ]x t i px Et h 例如自由粒子 plane wave:

物質波 : 能量與時間共同出現De Broglie: / , /h p E h

波長 頻率

Feynman: 負能量的負號可放在時間處→負能量粒子 = 正能量粒子以時間逆轉運動 negative energy particle traveling forward in time = positive energy particle traveling backward in time

x

t

粒子 E > 0

粒子 E < 0

反粒子 E > 0

=“A positron is an electron traveling backward in time.”

t

x電子－電子散射Electron-electron scattering

t

x電子－反電子湮滅Electron-positron annihilation

t

x電子－反電子散射Electron-positron scattering

t

x

費曼圖 Feynman Diagrams

反物質問答為甚麼每一粒子必有對應反粒子？每一種粒子必有對應反粒子，因它們本來是同一粒子！為甚麼粒子與反粒子有完全一樣的質量？

因為它們本來是同一粒子！

為甚麼粒子與反粒子有相反的電荷？

洞理論 →反粒子 = 少了一粒子

也是光子 !

光子的反粒子是甚麼？

本是同根生，

相煎何太急？

p p

反物質研究有甚麽新進展？

丁肇中 : 到太空找尋反粒子 !

因為反粒子在地球大氣已湮滅

AMS

The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment

From Prof. Ting’s talk in HK

The AMS detector has been under construction for 10 years.The AMS detector has been under construction for 10 years.

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http://cyclo.mit.edu/~bmonreal/frames.det.html

製造反原子• 近年在 CERN 可造出大量 (~50,000) 反氫原子 ( 反電子與反質子結合）

• 利用粒子加速器製造反粒子• 需要把反粒子減速才能增加反原子合成• 用特別裝置儲存反原子• 精確量度反原子性質

http://www.space.com/scienceastronomy/generalscience/anti_hydrogen_020918.htmlhttp://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/

Athena 實驗

http://athena.web.cern.ch/athena/

捕捉反質子

反粒子減速器

為甚麼物質遠多於反物質？Matter-anti-matter asymmetry

y97089_2ab_03.ppt

大爆炸理論大爆炸理論 Big BangBig Bang →→ 宇宙早期高宇宙早期高温高密度 温高密度 →→能量遠高於質量能量遠高於質量宇宙膨脹 宇宙膨脹 →→温度下降 温度下降 →→能量轉化成能量轉化成質量 質量 →→物質與反物質的數量應相若物質與反物質的數量應相若

AMS in space

加速器

1015

C°

10-1

0 sec

3 m

in60

00 C°

3 C° K

15 b

illion

ye

ars

Search for the

Existence of Anti Universe

Search for t

he

Origin of th

e Universe

From Prof. Ting’s talk in HK

物質宇宙

反物質宇宙

大爆炸大爆炸

為甚麼物質遠多於反物質？• 答案可能關於中微子 !• 大亞灣反應堆反中微子振盪實驗 / 香港仔隧道實驗• 一月六日陸錦標教授講座「中微子物理的奇妙世界」

http://theta13.phy.cuhk.edu.hk/

大亞灣核電廠反應堆香港仔隧道實驗室

反物質• 甚麽是反物質？• 反物質有甚麼用？• 那裏 / 誰 / 如何找到反物質？• 為甚麼有反物質？• 反物質研究有甚麽新進展？

Anti-matter 反物質

朱明中香港中文大學物理系

mcchu@phy.cuhk.edu.hk