迄今最大反物质魔瓶 创造反粒子激光


  这曾经被看作是科幻小说里的东西,反物质就是一般物质的镜像(mirror image),就在我们观察到的宇宙中,现在,反物质是世界各地实验室研究的焦点。

  虽然物理学家常规制作反物质是采用放射性同位素(radioisotopes)和粒子对撞机,但是,冷却这些反粒子并保持它们达到任何时间长度,就是另一回事。反物质一旦接触普通物质,就会“泯灭”,或者说消失,同时形成闪烁的伽玛辐射。

  克利福德•苏考(Clifford Surko)是美国加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的物理学教授,他正在制造的东西,他希望成为世界上最大的反物质容器,他说,物理学家最近开发出的新方法,可以制造特殊状态的反物质,这样,他们就能够创造出大的反粒子云,进行压缩,并制成特别设计的光束,这有多种用途。

  他介绍了这一领域取得的进展,包括他自己的工作,就是在华盛顿特区的一次年会上介绍的,年会举办方是美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science)。他的讲话《驯服狄拉克粒子(Dirac's Particle)》引发了一场讨论会,议题就是“镜中世界:最新历险反物质”( Through the Looking Glass: Recent Adventures in Antimatter),时间是2月18日周二下午1:30。

  苏考说,“正电子”也就是反电子,反电子的预言出自英国物理学家保罗•狄拉克(Paul Dirac),那是80年前的事,正电子消失为一阵伽玛射线,它们一旦接触普通物质就会这样,因此,积累和储存这些反物质粒子就不是一件小事。但在过去几年里,他补充说,研究人员已经开发出新技术,可以存储数十亿个正电子,长达数小时以上,并冷却它们到低温状态,为的是减慢它们的运动,使它们能够被研究。

  苏考说,物理学家们现在可以放慢的正电子是源自放射性源,可以减慢到低能状态,积累和储存这些正电子几天时间,就储存在专门设计的“瓶子”中,这些瓶子用磁场和电场做瓶壁,而不是用物质。他们还开发了一些方法,可以冷却这些正电子,使温度低到相当于液态氦,并压缩它们,达到高密度。

  “他们随后可以小心地把正电子推出瓶子,形成一股细细的直线,就是一束光束,很像挤一管牙膏,”苏考说,他补充说,有多种用途可以使用这样的正电子。

  有一种熟悉的正电子技术不使用这项新技术,这就是PET扫描,也叫正电子发射断层显像术(Positron Emission Tomography),这是目前常规使用的,用于研究人体新陈代谢进程,并帮助设计新的药物。

  这些新的方法物理学家们正在开发,这种正电子束将可用于其他途径。“这些光束提供了新的方法,可以研究反粒子如何与普通物质相互作用或发生反应,”苏考说。“它们是非常有用的,例如,有助于理解材料表面属性。”

  苏考和加州大学圣地亚哥分校的合作者正在研究正电子如何结合到普通物质,比如原子和分子。“虽然这些结合物只持续十亿分之一秒钟左右,”他说,“但是,正电子的这种“粘性”是物质和反物质化学的一个重要方面。”

  苏考和他的同事们正在制造全球最大的陷波器(trap),用于捕捉低能正电子,就在加州大学圣地亚哥分校他的实验室,这一陷波器可以存放超过一万亿个反物质粒子,而且是在同一个时间。

  “我们现在正在努力积累数万亿个正电子或更多,就在新的多元陷波器中(multi-cell trap),这种陷波器是一个阵列的磁瓶,类似于一座酒店,里面有许多间客房,每间客房都可以容纳数百亿个反粒子,”他说。

  “这些发展正在实现许多新的自然研究。这些例子包括形成和研究反氢,也就是氢的反物质对应体;研究电子-正电子等离子体,这种等离子体类似于被认为出现于中子星(neutron stars)磁极的东西,需要使用的装置目前正在开发,就在哥伦比亚大学(Columbia University);也可以创造更大束的正电子,这最终可能创造一种湮灭式的γ射线激光(gamma ray laser)。

  “有一个令人兴奋的长期目标,就是这项工作是要创造便携式反物质陷波器,”苏考补充说。 “这将大大提高我们的能力,以便使用和开发反粒子,就在我们的物质世界进行,因为在某些情况下,放射性同位素或基于加速器的正电子源不方便安排。”

  苏考教授的工作资金来自美国国家科学基金会(National Science Foundation),美国能源部和国防部威胁降低局(Defense Threat Reduction Agency)。