反質子

正電子的發現證實了狄拉克反粒子理論，一些理論物理學家開始認真對待這一理論。1934年泡利與克拉夫證明，即使不能形成穩定的負能粒子海，也會有相應的反粒子存在。於是人們就開始尋找其他粒子的反粒子。

早在1928年，狄拉克便預言了反質子的存在，但證實它的存在卻花了20多年的時間。根據狄拉克的理論，反質子的質量與質子相同，所帶電荷相反，質子與反質子成對出現或湮沒，用兩個普通的質子碰撞便可獲得反質子，但反質子的產生閾能為6.8GeV。1954年，在加利福尼亞大學的勞倫斯輻射實驗室，建成了64億電子伏的質子同步穩相加速器，這為尋找反粒子提供了條件。1955年，張伯倫和塞格雷用上述加速器證實了前一年人們所觀測的反質子的存在。由於反質子出現的機會極少，大約每1000億高能質子的碰撞，才能產生數量很少的反質子，因而證實反質子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質子。由於偶然符合本底不大，記數系統雖不算好，但較為可信。

不久他們又發現反中子。儘管高能粒子打靶時也能產生反中子，但是由於反中子不帶電，更難從其他粒子中鑒別出來。他們是利用反質子與原子核碰撞，反質子把自己的負電荷交給質子，或由質子處取得正電荷，這樣，質子變成了中子，而反質子則變成了反中子。

反質子（antiproton）是質子的反粒子，其質量及自旋與質子相同，但電荷及磁矩則與質子相反，帶有與電子相同的負電荷。

1955年，加州大學柏克萊分校物理學家塞格雷（Emilio Gino Segrè）和張伯倫（Owen Chamberlain）透過粒子加速器，而發現了這種反粒子，他們二人於1959年獲得諾貝爾物理學獎。

由於這些粒子在與質子撞擊時會相湮滅，轉化為能量，因此這些粒子在自然界中的壽命極短。它們需在1,000萬K以上的環境下方能產生，自然界中只有在宇宙大爆炸，方能產生出反質子。不過在CERN實驗室作出的研究中，他們以同步加速器把質子加速至達26GeV量的水平，然後與金屬銥棒撞擊，其能量足夠產生反質子，在所得到的粒子與反粒子中，科學家以磁力把反粒子隔離。

魯比亞，C.在正反質子對撞機上進行幾百吉電子伏的對撞實驗，發現了現代弱電統一理論所預言的傳力子，因而獲得1984年度諾貝爾獎金物理學獎。

1955年，加州大學伯克利分校物理學家塞格雷和張伯倫透過粒子加速器，而發現了這種反粒子，他們二人於1959年獲得諾貝爾物理學獎。

1979年10月30日，美國科學家最近利用高空氣球，測出了星際空間的反物質流。這是在地球上的實驗室以外第一次發現反物質。

美國新墨西哥州立大學的科學研究人員最近把60層樓高的充氦大氣球放到35公里的高空。氣球上裝載了5000磅重的高靈敏度科學探測器材，其中包括一個300磅重的低溫超導磁體。氣球在高空中飛行了8個小時，它的探測器的磁場測獲了28個反質子。

科學家們認為，這一發現對宇宙起源的研究將發生重要影響。

2011年08月09日據BBC報道，科學家首次探測到一條由反質子粒子構成的狹長帶狀地帶，環繞在地球附近的空間中。這一發現發表於《天體物理學快報》(Astrophysical Journal Letters)，文獻證實了此前地球的磁場能夠俘獲反物質粒子的理論工作。同時，該研究團隊表示，在范艾倫輻射帶的兩個層面之間也發現了少量的反質子，或可俘獲一些常規物質。儘管數量不多，研究團隊認為這些反質子能為未來的太空飛船供給足夠的燃料。

2006年發射升空的Pamela人造衛星識別出了這些反質子粒子，它的使命是研究來自太陽系以及太陽系之外空間中高能粒子的本質（也就是宇宙射線的本質）以及在大量常規物質中搜尋可能存在的極少量反物質粒子。高能宇宙射線衝擊、突破地球大氣層中的分子，形成自由粒子“流星雨”。很多宇宙射線粒子及其衝擊大氣層分子形成的物質最後都被范艾倫輻射帶俘獲，這個甜甜圈形狀的輻射區正是地球磁場俘獲反質子粒子的區域。當Pamela衛星經過南大西洋異常區的上空時，探測到比宇宙空間中常規衰變濃度高出數千倍的反物質粒子聚集區，研究團隊認為這一區域存在類似於范艾倫輻射帶附近的反質子帶，在光的照射下，反質子粒子與大氣層中的常規物質相碰撞，最終消失不見。

論文共同作者、巴里大學的亞歷山大·布魯諾(Alessandro Bruno)表示，這一成果證實了之前的理論預測，即地球附近確實存在反物質帶。而這些反物質與常規物質相遇時能夠釋放出巨大的能量，正吸引著人們探索反物質作為燃料驅動太空飛船的可能性。

質量及自旋與質子相同，但電荷及磁矩則與質子相反，帶有與電子相同的負電荷。壽命也與質子相當。一個反質子是由兩個上反夸克及一個下反夸克所組成。雖然反質子本身是穩定的，但由於反質子與質子接觸會發生湮滅的現象，並且轉化為能量，是故反質子無法在一般的自然環境中保存。

反質子與原子核碰撞后各種現象的研究,正處在初步階段，是人們期待的獲得核中存在反質子束縛態或共振態的一類反應。理論上猜測,如果在核中存在著反質子束縛態,由於平均場是深位阱和吸收型,將會使低能級的結合能很大和能級寬度很寬,如幾十Mev,使得能級不易分辨。實驗結果,由於必需扣除准自由敲出反應、統計蒸發的背景,實驗數值還不足以說明在核中存在反質子束縛態，但也未有否定的證據。

最近,由於從畫中發現了帶桀夸克的例子，人們以極大的興趣在原子核中尋找帶聚素的核束縛態,這需要高能量下的反質子束流。人們已作了一些在核中存在民粒子可能性的估算。由於它不受泡里不相容的堵塞效應,而且其存在純是由於膠子交換力，因此很可能存在華H3系統。它的結合能約19Mev。

1983年，西歐核子研究中心(cERN)建成反質子貯存環裝置LEAR。它是獲得強流和高解析度的反質子束流裝置,從而使反質子物理的研究進入一個新階段.不單由反質子與核子碰撞后發生的各式各樣過程，用之從事研究重子素、質子偶素和即的散射現象，它們的共振態和束縛態,以及加湮沒后產生的各類粒子，而且由於其解析度小於原子核的能級距離，反質子與原子核的散射進入到可以區分不同末態道的過程,如彈性道和確定末態的非彈性道等。

宇宙線專家曾希望反質子能像正電子一樣也落人他們布下的羅網,可事實證明核的反物質本性更難捉摸。用狄拉克的話說，輻射量子必須有足夠的能量才能從負能態“海”中挖出一個粒子。這種觀點到1947年已明確量化為:輻射的量子必須轉化為粒子一反粒子對。為了實現這種轉換,輻射量子必須提供單個粒子或反粒子的兩倍的質量。當時所發現的宇宙線量子只能形成兩個電子的質量,而形成一個質子一反質子對，必須要有上述宇宙線量子輻射的2000倍的能量。1954年和1955年出現了有些含糊的關於難以捉摸的反質子的宇宙線報告，可這些結果都缺乏說服力。

1954年,當時世界上威力最大的原子粉碎器—高能質子同步穩相加速器在伯克利開始運行。1955年,張伯倫、塞格雷、威甘德(C.Wie-gand)和伊普西蘭蒂斯(T.YsPilanist)開始準備利用該加速器捕捉反質子。他們希望該加速器能把帶電粒子加速到其設計能量值,以越過反質子的壁壘。但安德森先驅性的實驗表明,要區分沿某一方向運動的正電子與沿另一方向運動的電子相當困難。而新加速器產生的每100萬個質子中只有一個能產生反質子，餘下的會變成其他粒子。為了把寶貴的反質子精華提取出來,他們使用了一種兩塊連用的磁透鏡系統，以使粒子束更純一些。就像用稜鏡能把一束白光分成組成它的各種色光那樣,該系統的目的就是要讓混合的粒子束通過磁場時按其各自不同的能量區分開。就像安德森曾藉助在磁場中徑跡的彎曲來區分快正電子和慢正電子那樣，該實驗用一塊磁鐵掃除帶正電荷的粒子，濾出最有希望的富含反質子的帶負電荷的粒子束。為了辨認反質子，實驗測量了粒子經過相距12米的兩塊磁透鏡的時間。這台新加速器產生的大多數亞核粒子幾乎都以光速運動，通過12米的距離需要40納秒。而由於反質子非常重,因此走得慢一些,要用51納秒。儘管沒有什麼能比真空中的光速更快,高能粒子卻能以比光在玻璃中的速度還快的速度穿過像玻璃這樣的透明體,併產生切連科夫光，其方向取決於高能粒子的速度。他們設計了一個精巧的速度濾光器,即用一個圓柱形鏡子來保證只有對應於反質子的光才被反射到其焦點上，並由一個光放大器來拾取。

1955年，加速器的能量達到了反質子的闌值,使反質子的檢測成為可能。為了檢測到反質子,他們把檢測系統的電子學線路設定為在加速器能量達到閡值后51納秒時才“開始啟動”,並由切連科夫光放大器記錄光信號。實驗開始后,四位實驗人員急切地注視著示波器。起初,什麼也沒發生。他們想也許是什麼地方有差錯而影響了這個精緻的設備,於是掉轉了磁稜鏡的磁場,這樣就使該儀器對帶正電荷的大量質子很靈敏，可以很容易得到質子的信號。可是,他們仍沒有得到質子計數。於是他們檢查了計算,果然發現在磁稜鏡中有一個錯誤設置。改正之後,他們先從質子的檢測開始，看到大量質子計數后才把磁場重新掉轉過來檢測反質子。不久,第一個反質子計數就出現了。該實驗繼續進行了三個月，進一步實驗結果表明，質子和反質子的質量在大約5%的誤差內是相等的。這樣,那些打賭否認存在反質子的人只好認輸。反質子一經發現,馬上就成了下一個反粒子的踏腳石。

1957年，伯克利的庫克(B.Cook)、蘭伯森(G、.RLanbrertson)、皮喬內(o.Pieeione)和溫策爾(B.Wentzel)開始尋找反質子的反核夥伴，即反中子。由於反中子不帶電荷，無法直接探測到，只能通過其相互作用間接進行,因而更難探測。庫克等人控制好反質子,並把它們發射到被液體浸沒的發光材料中；然後他們讓帶電粒子探測器自動記下是否有帶電粒子通過;；最後束流遇到切連科夫計數器的玻璃片。實驗人員發現了74個事例(即能表徵有反中子通過的切連科夫光)，其中入射的反質子顯然在最初的閃爍靶上失去了電荷。雖沒有帶電粒子通過帶電粒子探測器,可切連科夫計數器卻檢測到了相互作用的結果。他們認為，反質子在第一個靶上失去了電荷，轉變為反中子，因而在通過帶電粒子探測器時就看不到,直到反中子進入切連科夫玻璃的原子核中與一個亞核粒子湮沒併發出亞核碎片的特徵光時才可見。有了反質子和反中子，下一步就是製造反核。第一種核反物質是由在CERN工作的義大利物理學家齊基基(A.iZhcichi)在1965年合成的反氘核。

氫原子是所有原子中最簡單的,它由單個電子繞一個質子作軌道運動形成。可在自然界中,每一萬個氫原子中就有一個是不同的，在它的核中雖仍只有一個質子(否則就不再是氫了)，可它還有一個額外的中子與質子緊緊地束縛在一起。由於它有兩個單位的原子量，這種“重氫”被稱為氘,質子一中子對核這個最簡單的複合核被稱為氘核。齊基基在用高度提純的帶負電粒子束來增進反質子的供給時發現了反氘核，它由一個反質子和一個反中子組成，像普通原子核一樣穩定。事實上，物質世界由原子構成，而原子又由質子、中子和電子組成，那麼，反質子、反中子和正電子能否組成反原子而成為反物質呢？從原則上講,這是可以氮原子和反氮原子互為鏡像的，因為把質子和中子吸引在一起的核力以及原子核吸引電子的電磁力都具有正反粒子對稱性，也就是說，一對粒子之間的作用力與一對相應的反粒子之間的作用力完全相等。但從實驗上看,在地球上乃至宇宙中想找到天然的反元素幾乎沒有先例，於是只好藉助加速器來人工製造反核素和反元素。