中國超強激光產(chǎn)生反物質(zhì)：到底有多牛？

　　3月，中國科學院上海光機所強場激光物理重點實驗室宣布其利用超強超短激光成功產(chǎn)生了反物質(zhì)——超快正電子源，這也是我國科學家首次利用激光成功產(chǎn)生反物質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)將在材料的無損探測、激光驅(qū)動正負電子對撞機、癌癥診斷等領(lǐng)域具有重大應用。

　　這一重要發(fā)現(xiàn)再次引起各界對于“反物質(zhì)”的關(guān)注，而這一經(jīng)常出現(xiàn)在科幻電影中的名詞其實并沒有那么神秘和遙遠，我國科學家近年來在反物質(zhì)領(lǐng)域也取得了許多突破性進展。

　　圖1 我國科學家成功利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)

　　上海光機所強場激光物理重點實驗室利用飛秒拍瓦激光裝置和高壓氣體靶相互作用，產(chǎn)生大量高能電子，高能電子和重核材料靶相互作用，由韌制輻射機制產(chǎn)生高強度伽馬射線，伽馬射線再和重核作用產(chǎn)生正負電子對。正電子譜儀經(jīng)過精心設(shè)計，成功解決了伽馬射線帶來的噪聲問題，利用正負電子在磁場中的不同偏轉(zhuǎn)特性，實驗中在單發(fā)條件下就成功觀測到了正電子。這也是我國首次利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。

　　上海光機所早在2001年就開始超強超短產(chǎn)生正負電子對的理論研究，提出利用強激光和納米薄膜靶相互作用產(chǎn)生正負電子對。該工作在國際上得到了廣泛關(guān)注，超強超短激光產(chǎn)生的超快正電子源，獲得反物質(zhì)超快正電子源將對激光驅(qū)動正負電子對撞機等具有重要意義。未來，在高能物理、材料無損探測、癌癥診斷領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。

　　圖2 超強超短激光產(chǎn)生正電子示意圖

　　揭秘反物質(zhì)的“前世今生”

　　我國科學家首次成功獲得反物質(zhì)引起了科學界的巨大反響，那么究竟何為反物質(zhì)?反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了怎樣的歷程?科學界普遍認為，宇宙起源于大爆炸，之后逐漸演化、發(fā)展、膨脹，直至今天的物質(zhì)世界。科學家們認為在大爆炸的初期，物質(zhì)與反物質(zhì)幾乎是對稱存在的。但是，為什么自然界中充滿肉眼可見的普通正物質(zhì)，但卻看不到反物質(zhì)呢?反物質(zhì)是否存在?存在的形式又是怎樣?這也是現(xiàn)代物理學研究的基本問題之一。

　　圖3 反物質(zhì)示意圖

　　反物質(zhì)的概念由英國物理學家狄拉克于1931年因為狄拉克方程負能解問題而首次提出。1932年安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)正電子;1955年塞格雷和張伯倫通過伯克利的同步穩(wěn)相加速器把質(zhì)子加速后打到銅靶上而發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子;1956年考克等人利用反質(zhì)子轟擊質(zhì)子，在湮沒過程中觀察到了中子和反中子，其他的反粒子也在隨后的科學實驗中被逐漸發(fā)現(xiàn)，眾多的諾貝爾獎工作成果讓反物質(zhì)的概念開始深入人心。

　　簡言之，物質(zhì)和反物質(zhì)是對稱的，其所有的性質(zhì)或是相同或是相反。在這個邏輯下，如果用反質(zhì)子和反中子代替原子核中的質(zhì)子和中子的話，就得到一個反原子核。如果再配以正電子，就形成反原子，例如歐洲核子中心科學家實現(xiàn)的實驗室捕捉反氫原子技術(shù)。再用反原子組成反分子，構(gòu)成反物質(zhì)。

　　國際首次：我國科學家發(fā)現(xiàn)反超氚核和反氦4

　　其實早在上海光機所成功獲得反物質(zhì)之前，國內(nèi)在反物質(zhì)領(lǐng)域的研究就已經(jīng)取得了國際性的進展，中國科學院上海應用物理研究所馬余剛等，就曾連續(xù)取得兩項國際首次，即首次發(fā)現(xiàn)超氚核和反氦4，是迄今為止科學家發(fā)現(xiàn)的第一個反超核粒子和最重的反物質(zhì)核。

　　2010年，國際螺旋管徑跡探測器(STAR)協(xié)作組為探尋宇宙起源的早期物質(zhì)狀態(tài)，在美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上開展了實驗研究。中國科學院上海應用物理研究所陳金輝、馬余剛等與STAR協(xié)作組其他中外科學家合作，他們通過反氦3和π介子衰變道的不變質(zhì)量譜重構(gòu)，首次探測到第一個反超核粒子———反超氚核。這是迄今為止科學家們發(fā)現(xiàn)的第一個含有反奇異夸克的反物質(zhì)原子核，它可能大量存在于宇宙的嬰兒期。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2010年4月2日《Science》上。

　　圖4 從末端(左圖A)和側(cè)面(右圖B)看到的反超氚核事件在時間投影室中的飛行軌跡。

　　圖中徑跡實線部分為時間投影室記錄到的部分， 虛線段為延伸到碰撞頂點部分