反质子（塞格雷、张伯伦发现的复合粒子）
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更新时间：2023-05-16
反质子
塞格雷、张伯伦发现的复合粒子
基本信息
| 中文名 | 反质子 |
| 外文名 | antiproton |
| 发现人 | 塞格雷 张伯伦 |
| 粒子类型 | 复合粒子 |
| 发现时间 | 1955年 |
发现
反质子-内部结构模型图
早在1928年，狄拉克便预言了反质子的存在，但证实它的存在却花了20多年的时间。根据狄拉克的理论，反质子的质量与质子相同，所带电荷相反，质子与反质子成对出现或湮没，用两个普通的质子碰撞便可获得反质子，但反质子的产生阈能为6.8GeV。1954年，在加利福尼亚大学的劳伦斯辐射实验室，建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器，这为寻找反粒子提供了条件。1955年，张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少，大约每1000亿高能质子的碰撞，才能产生数量很少的反质子，因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子。由于偶然符合本底不大，记数系统虽不算好，但较为可信。
不久他们又发现反中子。尽管高能粒子打靶时也能产生反中子，但是由于反中子不带电，更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用反质子与原子核碰撞，反质子把自己的负电荷交给质子，或由质子处取得正电荷，这样，质子变成了中子，而反质子则变成了反中子。
反质子（antiproton）是质子的反粒子，其质量及自旋与质子相同，但电荷及磁矩则与质子相反，带有与电子相同的负电荷。
由于这些粒子在与质子撞击时会相湮灭，转化为能量，因此这些粒子在自然界中的寿命极短。它们需在1,000万K以上的环境下方能产生，自然界中只有在宇宙大爆炸，方能产生出反质子。不过在CERN实验室作出的研究中，他们以同步加速器把质子加速至达26GeV量的水平，然后与金属铱棒撞击，其能量足够产生反质子，在所得到的粒子与反粒子中，科学家以磁力把反粒子隔离。
获奖情况
试验
首次探测
2011年08月09日据BBC报道，科学家首次探测到一条由反质子粒子构成的狭长带状地带，环绕在地球附近的空间中。这一发现发表于《天体物理学快报》(Astrophysical Journal Letters)，文献证实了此前地球的磁场能够俘获反物质粒子的理论工作。同时，该研究团队表示，在范艾伦辐射带的两个层面之间也发现了少量的反质子，或可俘获一些常规物质。尽管数量不多，研究团队认为这些反质子能为未来的太空飞船供给足够的燃料。
2006年发射升空的Pamela人造卫星识别出了这些反质子粒子，它的使命是研究来自太阳系以及太阳系之外空间中高能粒子的本质（也就是宇宙射线的本质）以及在大量常规物质中搜寻可能存在的极少量反物质粒子。高能宇宙射线冲击、突破地球大气层中的分子，形成自由粒子“流星雨”。很多宇宙射线粒子及其冲击大气层分子形成的物质最后都被范艾伦辐射带俘获，这个甜甜圈形状的辐射区正是地球磁场俘获反质子粒子的区域。当Pamela卫星经过南大西洋异常区的上空时，探测到比宇宙空间中常规衰变浓度高出数千倍的反物质粒子聚集区，研究团队认为这一区域存在类似于范艾伦辐射带附近的反质子带，在光的照射下，反质子粒子与大气层中的常规物质相碰撞，最终消失不见。
论文共同作者、巴里大学的亚历山大·布鲁诺(Alessandro Bruno)表示，这一成果证实了之前的理论预测，即地球附近确实存在反物质带。而这些反物质与常规物质相遇时能够释放出巨大的能量，正吸引着人们探索反物质作为燃料驱动太空飞船的可能性。
基本性质
质量及自旋与质子相同，但电荷及磁矩则与质子相反，带有与电子相同的负电荷。寿命也与质子相当。一个反质子是由两个上反夸克及一个下反夸克所组成。虽然反质子本身是稳定的，但由于反质子与质子接触会发生湮灭的现象，并且转化为能量，是故反质子无法在一般的自然环境中保存。
与核的作用
反质子与原子核碰撞后各种现象的研究,正处在初步阶段，是人们期待的获得核中存在反质子束缚态或共振态的一类反应。理论上猜测,如果在核中存在着反质子束缚态,由于平均场是深位阱和吸收型,将会使低能级的结合能很大和能级宽度很宽,如几十Mev,使得能级不易分辨。实验结果,由于必需扣除准自由敲出反应、统计蒸发的背景,实验数值还不足以说明在核中存在反质子束缚态，但也未有否定的证据。
最近,由于从画中发现了带桀夸克的例子，人们以极大的兴趣在原子核中寻找带聚素的核束缚态,这需要高能量下的反质子束流。人们已作了一些在核中存在民粒子可能性的估算。由于它不受泡里不相容的堵塞效应,而且其存在纯是由于胶子交换力，因此很可能存在华H3系统。它的结合能约19Mev。
贮存环装置
1983年，西欧核子研究中心(cERN)建成反质子贮存环装置LEAR。它是获得强流和高分辨率的反质子束流装置,从而使反质子物理的研究进入一个新阶段.不单由反质子与核子碰撞后发生的各式各样过程，用之从事研究重子素、质子偶素和即的散射现象，它们的共振态和束缚态,以及加湮没后产生的各类粒子，而且由于其分辨率小于原子核的能级距离，反质子与原子核的散射进入到可以区分不同末态道的过程,如弹性道和确定末态的非弹性道等。
科学史
宇宙线专家曾希望反质子能像正电子一样也落人他们布下的罗网,可事实证明核的反物质本性更难捉摸。用狄拉克的话说，辐射量子必须有足够的能量才能从负能态“海”中挖出一个粒子。这种观点到1947年已明确量化为:辐射的量子必须转化为粒子一反粒子对。为了实现这种转换,辐射量子必须提供单个粒子或反粒子的两倍的质量。当时所发现的宇宙线量子只能形成两个电子的质量,而形成一个质子一反质子对，必须要有上述宇宙线量子辐射的2000倍的能量。1954年和1955年出现了有些含糊的关于难以捉摸的反质子的宇宙线报告，可这些结果都缺乏说服力。
1954年,当时世界上威力最大的原子粉碎器—高能质子同步稳相加速器在伯克利开始运行。1955年,张伯伦、塞格雷、威甘德(C.Wie-gand)和伊普西兰蒂斯(T.YsPilanist)开始准备利用该加速器捕捉反质子。他们希望该加速器能把带电粒子加速到其设计能量值,以越过反质子的壁垒。但安德森先驱性的实验表明,要区分沿某一方向运动的正电子与沿另一方向运动的电子相当困难。而新加速器产生的每100万个质子中只有一个能产生反质子，余下的会变成其他粒子。为了把宝贵的反质子精华提取出来,他们使用了一种两块连用的磁透镜系统，以使粒子束更纯一些。就像用棱镜能把一束白光分成组成它的各种色光那样,该系统的目的就是要让混合的粒子束通过磁场时按其各自不同的能量区分开。就像安德森曾借助在磁场中径迹的弯曲来区分快正电子和慢正电子那样，该实验用一块磁铁扫除带正电荷的粒子，滤出最有希望的富含反质子的带负电荷的粒子束。为了辨认反质子，实验测量了粒子经过相距12米的两块磁透镜的时间。这台新加速器产生的大多数亚核粒子几乎都以光速运动，通过12米的距离需要40纳秒。而由于反质子非常重,因此走得慢一些,要用51纳秒。尽管没有什么能比真空中的光速更快,高能粒子却能以比光在玻璃中的速度还快的速度穿过像玻璃这样的透明体,并产生切连科夫光，其方向取决于高能粒子的速度。他们设计了一个精巧的速度滤光器,即用一个圆柱形镜子来保证只有对应于反质子的光才被反射到其焦点上，并由一个光放大器来拾取。
1955年，加速器的能量达到了反质子的阑值,使反质子的检测成为可能。为了检测到反质子,他们把检测系统的电子学线路设定为在加速器能量达到阂值后51纳秒时才“开始启动”,并由切连科夫光放大器记录光信号。实验开始后,四位实验人员急切地注视着示波器。起初,什么也没发生。他们想也许是什么地方有差错而影响了这个精致的设备,于是掉转了磁棱镜的磁场,这样就使该仪器对带正电荷的大量质子很灵敏，可以很容易得到质子的信号。可是,他们仍没有得到质子计数。于是他们检查了计算,果然发现在磁棱镜中有一个错误设置。改正之后,他们先从质子的检测开始，看到大量质子计数后才把磁场重新掉转过来检测反质子。不久,第一个反质子计数就出现了。该实验继续进行了三个月，进一步实验结果表明，质子和反质子的质量在大约5%的误差内是相等的。这样,那些打赌否认存在反质子的人只好认输。反质子一经发现,马上就成了下一个反粒子的踏脚石。
1957年，伯克利的库克(B.Cook)、兰伯森(G、.RLanbrertson)、皮乔内(o.Pieeione)和温策尔(B.Wentzel)开始寻找反质子的反核伙伴，即反中子。由于反中子不带电荷，无法直接探测到，只能通过其相互作用间接进行,因而更难探测。库克等人控制好反质子,并把它们发射到被液体浸没的发光材料中；然后他们让带电粒子探测器自动记下是否有带电粒子通过;；最后束流遇到切连科夫计数器的玻璃片。实验人员发现了74个事例(即能表征有反中子通过的切连科夫光)，其中入射的反质子显然在最初的闪烁靶上失去了电荷。虽没有带电粒子通过带电粒子探测器,可切连科夫计数器却检测到了相互作用的结果。他们认为，反质子在第一个靶上失去了电荷，转变为反中子，因而在通过带电粒子探测器时就看不到,直到反中子进入切连科夫玻璃的原子核中与一个亚核粒子湮没并发出亚核碎片的特征光时才可见。有了反质子和反中子，下一步就是制造反核。第一种核反物质是由在CERN工作的意大利物理学家齐基基(A.iZhcichi)在1965年合成的反氘核。
氢原子是所有原子中最简单的,它由单个电子绕一个质子作轨道运动形成。可在自然界中,每一万个氢原子中就有一个是不同的，在它的核中虽仍只有一个质子(否则就不再是氢了)，可它还有一个额外的中子与质子紧紧地束缚在一起。由于它有两个单位的原子量，这种“重氢”被称为氘,质子一中子对核这个最简单的复合核被称为氘核。齐基基在用高度提纯的带负电粒子束来增进反质子的供给时发现了反氘核，它由一个反质子和一个反中子组成，像普通原子核一样稳定。事实上，物质世界由原子构成，而原子又由质子、中子和电子组成，那么，反质子、反中子和正电子能否组成反原子而成为反物质呢？从原则上讲,这是可以氮原子和反氮原子互为镜像的，因为把质子和中子吸引在一起的核力以及原子核吸引电子的电磁力都具有正反粒子对称性，也就是说，一对粒子之间的作用力与一对相应的反粒子之间的作用力完全相等。但从实验上看,在地球上乃至宇宙中想找到天然的反元素几乎没有先例，于是只好借助加速器来人工制造反核素和反元素。
