反粒子

通用术语

正电子、反质子、反中子、反中微子、反介子、反超子等粒子的统称。反粒子与所对应的粒子在质量、自旋、平均寿命和磁矩大小都相同；如果带电。两者所带电量相等而符号相反。磁矩和自旋的取向关系也相反。反粒子与所对应的粒子相遇就发生湮灭而转变为别的粒子。

粒子简介

在原子核以下层次的物质的单独形态以及轻子和光子，统称粒子。在历史上，有些粒子曾被称为基本粒子。

所有的粒子，都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，称为该种粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。

一切粒子均有其相应的反粒子，如电子e-的反粒子是正电子e+，质子p的反粒子是反质子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌领导的小组发现的反西格码负超子是Σ-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如γ光子、π0介子和η介子。一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它们自己。

发现过程

反粒子最早是1928年P.A.M.狄拉克理论上预言正电子而提出的，1932年被C.D.安德森实验发现而证实；1956年美国物理学家张伯伦在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速过的高能粒子对相撞，发现在突然间成对出现了几道轨迹，又在短时间内相撞而互相湮灭，这是人们第一次直接观测到反粒子。进一步的研究发现，狄拉克的空穴理论对玻色子不适用，因而不能解释所有的粒子和反粒子。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。

正反粒子是从场论的观点来认识的，场的激发态表现为粒子，与之对应，场的复共轭激发态表现为反粒子。当γ光子的能量大于某种粒子静能的两倍，在一定的条件下就可以产生正反粒子对；反之，正反粒子相遇可湮灭并产生两个光子或 3 个光子，遵从质量-能量守恒和动量守恒。

每一种粒子都有一个和它的质量、寿命、自旋严格相等，而电荷却正好相反的反粒子存在，这是狄拉克在他的正电子预言中提出来的。狄拉克方程预言了一种新的电子——正电子，从而开创了反原子、反物质、反世界的研究。1932年美国物理学家安德森在宇宙线的研究中发现了正电子，这是人类发现的第一个反粒子。

实验检验

如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的是应该存在质子的反粒子、中子的反粒子。1956年美国物理学家张伯伦（Owen Cham-berlain）等在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子。接着又发现了反中子。后来发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识。

迄今，已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。

捕捉反物质

欧洲核子研究中心的科学家们在欧洲当地时间2010年11月17日表示，通过大型强子对撞机，他们已经俘获了少量的“反物质”，尽管只是少量的反氢原子而已，但已被科学界视为人类研究反物质过程中的一次重大突破。

实际上，早在1995年，欧洲核子研究中心就首次制造出了9个反氢原子。但反氢原子只要与周围环境中的正氢原子相遇就会湮灭，因此实验室中造出来的反氢原子稍纵即逝，科学家们根本无从研究它的真面目。这一次的实验亮点就在于这些反氢原子存在了大约0.17秒。尽管这个时间在普通人看来也许非常短，但对科学家来说，已比先前有了实质性的延长，足够他们进行较为深入的观察和研究。

欧洲核子研究中心的科研人员于2011年6月5日在英国《自然·物理》杂志上报告称，他们成功地将反氢原子“抓住”长达一千秒的时间，也就是超过16分钟。科学家在论文中说，他们在这一轮研究中，先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子，时间从五分之一秒到一千秒不等。

分析还显示，这次抓住的反氢原子大多数处于基态，也就是能量最低、最稳定的状态。这有可能是人类迄今首次制造出的基态反物质原子。如果能让反物质原子在基态存在10分钟到30分钟，就可以满足大多数实验的需要。

存储反物质

2010年，来自欧洲核子研究中心(CERN)的研究人员成功地存储了反物质，但维持时间仅不足1秒。欧洲核子研究中心能够存储由氢原子提取的反物质，存储时间长达16分钟，是此前存储时间的5000倍。

这项研究发表在《自然物理学》杂志上，揭晓欧洲核子研究中心阿尔法实验建立的一个“磁瓶”——超导磁铁，如何悬浮这些反原子远离墙壁，以及如何存储这些反氢原子。在过去近十年里，科学家在实验室内仅能保持数分钟的反物质，这是由于该物质存储之后便遭到破坏，从而难以长时间进行存储。

项目研究科学家藤原诚(Makoto Fujiwara)教授说：“我们现已证实能限制性存储反氢原子至长1000秒，这与一场曲棍球比赛时间相差无几。这将是反物质研究领域一个重要转折点。”

相互区别

虚粒子和反粒子的联系和区别

粒子可以分两种：组成宇宙中物质的自旋为1/2的粒子和在物质粒子间引起力的自旋为0，1，2的粒子。而在物质间交换的携带力的粒子因为他们不像实粒子那样可以用粒子探测器检测到，故称虚粒子。但他们具有可测量的效应。而在量子真空中，其场的值必须有一定的最小的不确定性量或量子起伏，人们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对，他们在某一时刻同时出现，互相离开，任何又相互靠近而且互相湮灭这些粒子正如同携带太阳引力的虚粒子。（或者说，由于这些粒子瞬时存在不能被观测到，称之为虚粒子。）至此都可以理解。但下面的说法:因为能量不能无中生有，所以粒子反粒子对中的一个参与者有正的能量，而另一个有负的能量。由于通常情况下，“实粒子”总是具有正能量，所以具有负能量的那个粒子注定是短命的“虚粒子”。似乎存在着这样一条自然规律：一个粒子可以转变为另一个粒子，但是，要是在起先并不存在粒子的情况下产生了一个粒子，就必定会同时产生一个反粒子。这里可以举一个例子，一个中子可以转变成一个质子，由于这是一个粒子转变成另一个粒子，似乎是不成问题的。不过，在这个转化过程中还形成了一个电子。这就等于说有一个粒子变成了两个粒子。为了抵消掉这第二个粒子，这时还形成了一个非常微小的反粒子，即所谓“反中微子”。这时，一个粒子（即中子）变成了另一个粒子（即质子）加上一个粒子－反粒子对（即电子和反中微子）。

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