互动科普

反粒子非常罕见，而且极难以捉摸，但是反粒子很可能提供关于天体物理学的某些难解之谜的线索。

1928年,英国物理学家P. A.M. Dirac(狄拉克）预测了反物质的存在。狄拉克声称，对于每一种通常的物质粒子，都存在一种相应的反粒子，二者质量相同，但携带相反的电荷。这些反粒子可以结合起来形成:反原子，而反原子又可以形成反物质。宇宙间的所有东西都有其反物质对应物:一一反恒星、反星系、乃至反人等。此外,如果一个物质粒子与一个反物质粒子碰撞，它们就将消失并产生一股高能的伽玛射线脉冲。如果一个人和一个反人握手，将产生极其猛烈的爆炸，其爆炸力相当于1千次百万吨级的核爆炸，每次这种核爆炸都足以摧毁一座小城市。

这是一种极为不寻常的说法。仅仅4年后，该理论就得到了证实——加利福尼亚理工学院的物理学Carl D.Anderson发现了第一种反粒子。在用云雾室研究宇宙线时(宇宙线是从空间射到地球上的高能粒子)，Anderson观察到一种粒子的蒸汽径迹，此粒子的质量与电子的质量相同，但携带相反的电荷(也就是带正电荷)。此粒子被命名为正电子，它是电子的反物质对应物。反质子则更不容易发现。但在1955年，劳伦斯伯克利实验室的物理学家们使用一台粒子加速器产生出了反质子。1995年，在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室(CERN)的科学家通过在粒子加速器中把正电子和反质子相结合而合成出了反氢原子——但只是很短暂的一瞬间。

最近几年中，科学家们建造了复杂精密的检测器来搜寻宇宙线中的反物质。由于宇宙线在和空气分子中的原子核碰撞时遭到破坏，研究人员把他们的探测器送到高空中大气最稀薄的地方。我们参与了这类实验中的一项实验，名为“高能反物质望远镜”(HEAT)。该实验利用高空气球来探测宇宙线中的正电子。其它一些由气球携载的探测器可以观测反质子。目前正在规划中的一些更为雄心勃勃的反物质搜寻计划包括延长气球在空中飞行的时间以及把探测器送入空间轨道等。这些实验的结果有可能为我们提供关于反物质起源的许多信息。它们还有可能说明反恒星反星系等是否真的存在。

天体物理学家们相信，上层大气中观察到的绝大部分反粒子都是星际空间中亚原子粒子的猛烈碰而产生的。当超新星爆炸产生的激波前沿中的磁场把星际质子或更重的原子核加速到极高的速度时，这—过程就开始了。如果这个原子——现在成了高能宇宙线——同另外一个星际粒子碰撞，该宇宙线的部分能量就可以被转化为一个粒子——反粒子对。

大量的宇宙线

有的碰撞产生π介子对。π介子是一类不稳定的粒子，很快衰变成正电子、电子中微子和反中微子。能量最高的碰撞——即以接近光速的速度运动的粒子的碰撞——产生质子—反质子对。这一过程恰好是物质—反物质湮灭过程颠倒过来：在这一过程中能量转化为物质而不是物质转化为能量。

然而星际碰撞所产生的反粒子的数量是比较少的，在HEAT仪器观测到的宇宙线中，粒子数目远远超过反粒子的数目。为了了解探测反物质的难度，试想象一个装满了钢制螺钉的桶。100颗螺钉有正常的右旋螺纹(代表宇宙线中带负电的电子)，而10颗螺钉有左旋螺纹(代表带正电的正电子)。宇宙线中也有质子，它同正电子一样带正电，但其质量则比正电子大得多。向这个想象的桶中加入1万个较重的左旋螺纹以表示这些质子。现在必须对每一个左旋螺钉加以称量，以确定它是质子螺钉还是正电子螺钉。这一称量操作必须做得非常准确。如果1千个质子螺钉中哪怕只有一个螺钉被误称为正电子螺钉，那么正电子螺钉的表观数量就会翻一番。

HEAT仪器的出错率小于10万分之一。该仪器使用一块超导磁体和一组探测器来识别正电子。在宇宙线穿过一个收集窗口后，超导磁体就使带负电的电子朝一个方向偏转，而使带正电的质子和正电子朝另一个方向偏转。探测器测量每一个入射粒子的电荷及运动方向，同时还测量入射粒子在磁场中的偏转程度。这最后一个测量项目有助于区别质子和正电子。由于质子的质量较大，因此它的运动路径比具有相同速度的正电子的运动路径更平直。

1994年，美国国家航空航天局的科研气球第一次携带着HEAT装置从新墨西哥州的一个场地升空。虽然该装置重达2300公斤(5000磅)，但一个巨大的充氦气球使它上升到3．7万米(12万英尺)的高度上，也就是越过了99．5%的大气层。HEAT装置对宇宙线进行了32小时的测量，然后用降落伞软着陆在得克萨斯州潘汉德尔。航空航天局在1995年再次用气球携带HEAT装置升空，这次是从加拿大曼尼托巴的一个地方出发的。第二次飞行使HEAT装置能够观测低能正电子，因为低能正电子只有在靠近北磁极和南磁极的地方才能穿过地球的磁场。

这两次飞行的结果相当令人感兴趣。HEAT装置记录到的低能正电子的数目非常接近于预期由星际碰撞产生的正电子的数目。但是，在高能范围上HEAT装置发现的正电子的数目多于预计的数目。该装置观测到的超额量并不是特别大，很可能是一些不易捉摸的测量误差所造成的结果。然而，如果这一超额是的确存在的话，那就说明宇宙中存在着一个人们尚未认识到的高能正电子源。一种可能的正电子源是推测的“弱相互作用重粒子(WIMP)”。

这种假想的粒子可能为长期令科学家们迷惑不解的“暗物质”问题提供一个答案。为了解释观测到的星系旋转速率，天体物理学家们相信每一个星系都位于一个巨大的暗物质晕圈中，而这些暗物质是无法通过通常的方法观测到的。假想的弱相互作用重粒子将是暗物质的一个极有可能的侯选者，因为它既不发光，也不发出其它任何形式的电磁辐射。如果存在着预期密度的弱相互作用重粒子，那么它们之间的碰撞将产生相当数量的高能正电子。这一过程可以解释HEAT装置所观测到的高能正电子过量现象。但是，必须在HEAT装置或其它探测器将来得出的测量结果以更大的精确度证实了我们的观测之后，我们和其它有关的研究人员才能够作出这一论断。

当我们在搜寻宇宙线中的正电子时，其它一些科学家则在忙于寻找一个更难捉摸的猎物——反质子。反质子比正电子更稀少，因为它的质量比正电子大将近2千倍，其结果是需要有更多得多的能量才能产生反质子。星际质子必须在高于光速的99%的速度下相碰撞才能产生质子一反质子对。

反物质探测器——例如“同位素物质一反物质实验”(Isotope Matter Antimatter Experiment，缩写为IMAX)以及“气球载超导螺线管分光计”(Ballon—borne Experiment with Superconducting Solenoidal Spectrometer，缩写为BESS）已经发现，在射到地球的宇宙线中，反质子的最大丰度仅为每1万个质子中有一个反质子。反质子之稀少迫使搜寻反质子的科学家们特别小心地防止虚假结果的出现。为了保证足够的灵敏度，他们使用的探测器的出错率必须在百万分之一以下。

寻找反世界

对较大的宇宙反物质碎片的首次广泛搜寻是物理学家Luis W．Alvarez在六十年代发起的一项搜寻活动。当时Alvarez开始在宇宙线中寻找较重的反粒子，例如反氦或反碳或反氧的核。与正电子和反质子不同，这些较重反粒子的质量太大，不可能通过星际粒子碰撞产生出来。因此，只要发现一个反氦核，就将证明某些反物质得以自大爆炸后存在至今。而发现反碳核或反氧核就说明有反恒星的存在，因为碳以及比碳更重的所有元素只能在恒星中产生出来。

大多数天体物理学家都对反恒星的存在持怀疑态度。虽然反恒星发出的光同普通恒星发出的光一模一样，但是反恒星将不可避免地与来自星际空间的通常物质的粒子流相碰撞，随之而来的物质一反物质湮灭将产生高通量的伽玛射线。轨道探测器已经观测到了低能伽玛射线，表明有一个巨大的电子羽状区显然从银河系的中心延伸出来而产生湮灭作用。但是，科学家们并不相信这些正电子是由一颗反恒星产生的，因为反恒星将表现为一个能量更高得多的伽玛射线的强烈局部源。没有任何探测器曾观测到这样一种局部源，这说明银河系中不存在反恒星，同理，在本星系团中也不存在反星系。

那么在更远的空间中情况又如何呢?或许宇宙中可能存在一些孤立的反星系，它们同普通物质构成的星系之间相隔着极其巨大的距离。在过去10年中，天文学家们对远至10亿光年的星系的分布情况进行了广泛的巡天观测。这些巡天观测表明不存在可能由反物质构成的孤立区域。相反，观测结果表明，存在着一个周围是广阔空间包绕着的星系团网络，类似于一个庞大的泡沫浴。如果宇宙有大片区域是反物质构成的，那么在宇宙的早期阶段中物质和反物质重迭的地方会产生大量的伽玛射线。天文学家们没有探测到这样一种强烈的背景辉光。如果存在反星系的话，那它们必定位于现有的最好望远镜的观测距离以外，也就是至少在几十亿光年远的地方。

此外，现代宇宙学还提出了一条理由说明宇宙为什么可以几乎完全由通常的物质构成。根据得到最广泛承认的理论，大爆炸在创世的最初一瞬间产生的物质比反物质稍多一些。之所以出现这一现象，是因为物理学法则存在着轻微的不对称(名为CP破缺)，这种不对称已在实验室中被观测到。在大爆炸中每产生300亿个反物质粒子，同时也就产生300亿零1个普通物质粒子。在大爆炸之后百万分之一秒时,粒子就开始同反粒子发生湮灭反应，直到只剩下多出的那一部分普通物质。这一少许的多余——但仍然是数目极为庞大的粒子——就变成了我们今天所知道的宇宙。

虽然这一理论看来很有说服力。但某些科学家一直在继续寻找较重的反粒子。他们始终相信存在着大片的反物质区域；并相信以接近于光速的速度运动的较重反物质粒子能够穿越把反物质区域同银河系分隔开来的广阔空间，在六十年代及七十年代，Alvarez和其它科学家部署的探测器分析了数万次宇宙线撞击，以确定其中是否有些撞击是由较重的反粒子造成的。更新的实验则观察了数百万宇宙线。尽管作了这样大的努力，但从未出现过比反质子重的反粒子。

遥远的反星系发射出较重的反粒子是可能的，但是星系际空间的磁场使这些反粒子无法到达地球。最近对穿过星系团的同步加速器辐射所进行的测量表明，这些星系团内的磁场的强度大约为地球表面的磁场强度的百万分之一。由于这些磁场在星系团形成的过程中可能增强了一千倍，天体物理学家们推论出，相隔遥远的星系之间的磁场的强度仅为地球表面磁场强度的十亿分之一。

虽然这样弱的磁场不足以使指南针摆动，但是随着时间的推移，它将逐渐对穿越星系际空间巨大距离的反粒子产生显著的影响。反粒子的运动路径将是围绕着一条磁场线的螺旋形路径，直径仅为几光年。天体物理学家们对于星系际空间中的磁场方向没有取得一致的看法。有些人认为这些磁场是相干的，就象一块普通的条形磁铁周围的磁场—样。其它人则声称磁场线完全是乱七八糟、毫无规律地缠结在一起。如果情况真是如此，那么反粒子就不可能沿着一个方向走得很远。它们将在乱糟糟的一团磁力线中随机地弹来跳去。我们可以把反粒子的这种运动比喻为一个喝得酩酊大醉的人想要从酒店步行返回远在10公里以外的家。一个清醒的人将沿着—条直线走下去，几个小时后就到了自己的家。但是醉汉则是一会儿朝这边冲出几步，一会儿又朝那边冲出几步，因此走了半天还没有朝家的方向迈出多远。他甚至走一年都不可能回到自己的家。

另一方面，如果星系际空间的磁场是相干的，那么磁场线就可能从一个星系延伸到另一个星系。在这样的条件下，反粒子将沿着长度为几百万光年的宇宙公路在邻近的星系之间汇集。这时反粒子仍然不会沿直线运动;它们将从一个星系跑到另一个星系。这就好象是我们那个喝醉了的漫游者从一个街角窜到下一个街角，但仍然不能向自己的家靠近多少，因为他在十字路口处走向何方是没有规律的。即使给反粒子以整个宇宙寿命那样长的时间在空间漫游，它们最终也只能走到离出发点不过几亿光年远的地方。这一距离远远小于可能存在的反星系到地球的最近距离(几十亿光年)。

即使有某个反粒子因坚韧不拔而创造出奇迹，最后终于接近了银河系，它仍然不能到达地球。由于银河系内的磁场比银河系外的磁场强得多，因此这一磁场将使绝大部分向银河系内行进的反粒子偏转。这就好象是那个醉汉历经曲折终于返回了自己的家，但却找不到钥匙把门打开。

未来的飞行

在银河系内发现较重的反粒子看来是非常不可能的。然而，搜寻反粒子的工作仍在继续进行。美国能源部正在组织一个将反物质探测器送入空间轨道的项目。这个名为“阿尔法磁谱计”(Alpha Magnetic Spectrometer，缩写为AMS)的装置的主要任务是寻找重的反物质核。美国航空航天局计划今年晚些时候在航天飞机上检测AMS。如果一切按计划进行，AMS将于2002年初开始在国际空间站上工作3年。

这样长的曝光时间原则上将使AMS的灵敏度达到先前的反物质探测器灵敏度的一百倍左右。真正的挑战在于确保AMS在区别粒子和反粒子时其精确度也达到相应的水平。为了从1亿个粒子的背景中识别出一个较重的反粒子，AMS探测器必须正确地测定每个粒子在磁场中的偏转情况。最精确的气球载仪器进行15次或15次以上的测量以确定高速粒子的偏转程度，而AMS将只进行6次测量。

另一个旨在从轨道上观测宇宙反物质的装置名叫“PAMELA”，定于2000年从俄罗斯的拜科努尔空间中心发射升空。PAMELA将使用一个比AMS更复杂精巧的系统来搜寻正电子和反质子以及较重的反核。但是，由于PAMELA的尺寸较小，它所收集的宇宙线也将比较少，因此它或许不能够对较重反粒子进行彻底的搜寻。

很快就将通过气球上携载的仪器对宇宙中的反物质进行更多的搜寻工作。例如，我们正在建造一种新型号的HEAT探测器，准备用它来寻找高能反质子。我们希望通过延长探测器的留空时间来改进我们的测量结果。美国航空航天局已经在南极施放了一些能在空中飞行10天到20天的高空气球，这些气球沿着一条圆形路径绕南极飞行。航空航天局瓦勒普斯岛亚轨道小组正在开发一些用于气球的新型轻质织物，它们可以使气球在空中飞行的时间长达一百天。今后几个月中将对用这些材料制成的气球进行试验。

寻找宇宙中的反物质的工作已经经历了许多曲折和反复。最初的这类实验是被人们对对称性的渴求所推动的，即急于证明宇宙中存在同等数量的物质和反物质。然而，实验结果却证明了存在着一种普遍的不对称。反物质探测器在宇宙线中只发现了极少的正电子和反质子，至于较重的反粒子则连影子都没有发现过。反恒星和反星系仍然有可能躲藏在宇宙中距离银河系有数十亿光年远的某个地方。然而，来自这样遥远的区域的较重反粒子不大可能到达地球，试图找到这些反粒子可能是一件徒劳无功的事情。但是，搜寻正电子和反质子可能有助于揭示暗物质的本性，从而有助于解决天体物理学中的一个重大难题。