70年前，人类找到了反质子

图源：维基百科

导读：

70年前，1955年9月21日，一种新粒子——反质子——被确认发现。这种粒子不是实验家碰巧发现的，而是在数学方程的指引下找到的。

写下这一方程的，是英国理论物理学家狄拉克。

瞿立建 | 撰文

SAIXIANSHENG

预言反粒子

1927年，保罗·狄拉克25岁，博士毕业仅一年，即获得剑桥大学圣约翰学院的教职。在那里，他有着非常舒适的工作环境，有住房，有仆人，每天专心于研究工作，偶尔上下课或做个报告。

狄拉克现在只专注于一项挑战：寻找描述电子的相对论方程。

1924年，物理学家为解释实验数据，提出了电子自旋概念，即电子像陀螺一样转。但电子是点粒子，这一经典图像不可能成立。需要新理论理解自旋。

这一新理论应将量子理论与爱因斯坦的狭义相对论结合起来。狄拉克决定构建出相对论量子力学方程。

狄拉克列出相对论量子力学方程应具备的性质，然后尝试一个又一个方程，在年底取得了突破，得到了他想要的方程——从他的方程可以自然而然得到电子的自旋。

伦敦威斯敏斯特大教堂以狄拉克方程纪念物理学家保罗·狄拉克。图源：wikicommons

论文于1928年2月1日发表，立即引起轰动。美国物理学家约翰·斯莱特(John C. Slater)赞道：很难想象，除了狄拉克，还有谁会想出这个方程。它显示了直觉天赋的独特力量，这种天赋，除狄拉克外无人能及。”

不过，很多物理学家对狄拉克方程心存疑虑。

狄拉克从他的方程中解出4种电子，其中一对电子具有正的能量和自旋，另一对电子具有负的能量和自旋。负能量电子很难令人接受，因为原子中正能量的电子会跃迁至负能量状态，原子将毁灭，世界将不复存在。

泡利讽刺说：理论提出者应将理论应用于自身，狄拉克应该和他的理论一起湮灭。

一些物理学家的反对并没有给狄拉克带来太大困扰，狄拉克说：方程的美感比符合实验更重要。随着时间的流逝，一切都会变得合理。

狄拉克就对原子依然稳定给出了一个“合理”的解释：负能量电子在真空中，并将所有负能态填满，真空可以看成负能态电子形成的大海（现在成为狄拉克海，Dirac sea），而正能量的电子则在这个海面上运动。由于所有负能态都已经被电子占据了，因此不会有电子从正能态跃迁到负能态，否则会违反泡利不相容原理。

狄拉克的解释带来了新的问题：正能态没有被电子填满，狄拉克海中电子可以跃迁至正能态，一个电子如果发生了这种跃迁，它会在狄拉克海留下一个“空穴”，这个空穴会有怎样的性质呢？

理论上，这个空穴应该与电子的性质正好相反，是个带有正电荷和正能量的粒子。但有这样的粒子吗？

狄拉克海示意图。电子将负能态填满，形成狄拉克海，图中蓝色部分。电子跃迁到正能态，留下的空穴为电子的反粒子。图源：wikicommons

狄拉克说这个粒子就是质子。物理学家很快推证出，这是不可能的，空穴粒子必须与“普通”的电子完全相同，除了电荷相反之外。

这种带正电的电子存在吗？

存在。这种电子被美国人卡尔·安德森（Carl David Anderson）在研究宇宙线时意外发现了。这种粒子后来命名为正电子。后来，他用伽马射线照射其他物质，产生了正电子-电子对，从而获得了正电子存在的更确凿的证据。安德森因发现正电子获得了1936年的诺贝尔物理学奖，时年31岁，成为史上第二年轻的诺贝尔物理学奖得主。

狄拉克的理论也适用于其他费米子，比如质子，质子也应该有一个对应的带负电的质子，可称为反质子。

受安德森发现正电子实验的启发，物理学家们纷纷在宇宙线中寻找反质子，结果没有了安德森的好运气，没有找到。

既然找不到天然的，美国物理学家决定制造一个。为了制造反质子，美国兴建了一座新的加速器——Bevatron，中文名：高能质子同步稳相加速器。

SAIXIANSHENG

发现反质子

Bevatron于1954年竣工，次年达到其能量指标。制造反质子的实验于1955年8月开始。

一束质子加速到62亿电子伏的能量，与铜靶碰撞，产生大量粒子，向四面八方飞出，其中有质子、中子、介子，数量最多的粒子是介子，数量是反质子（如果有的话）的4万倍。物理学家需要在10微秒内找出其中可能存在的反质子，否则反质子会遇到质子而湮灭。

将产物导入磁场中，根据粒子偏转方向，可将带正负电荷的粒子分开。然后将带负电的粒子通过一磁透镜系统聚焦，筛选出动量与反质子预期动量相符的粒子。

这束粒子由带负电的π介子和可能存在的反质子组成，将与两个相距12米的塑料盘相撞，相撞时会发出闪光，根据闪光的时间间隔可区分出π介子和反质子，因为前者比后者快11纳秒。

该实验不能排除一种情况：一个π介子在第一个塑料盘处闪光后，它前面的一个π介子在第二个塑料盘处闪光，时间间隔正好与反质子的预期间隔相同。

为排除这种情况，物理学家们设计了另一个实验。

物理学家将粒子束穿过电介质，它们的速度超过介质中的光速，会产生切连科夫辐射（Cherenkov radiation），切连科夫辐射的波前是以粒子为顶点的锥面，类似快船激起的锥形尾波。粒子速度越快，锥顶角越小。

物理学家将粒子束先通过氟碳化合物液体，只有比预期的反质子运动地更快的粒子激发切连科夫辐射，然后将将粒子束通过石英，这次只记录以反质子的预期速度前进的粒子的切连科夫辐射。

以上分析于1955年9月21日完成，初步确认反质子的存在。

几天后，物理学家拍下了反质子遇到照相乳剂中的质子或中子而湮灭的状况，确认了反质子的存在。

反质子湮灭。反质子湮灭。一个反质子（蓝色）与一个质子碰撞而湮灭，释放的能量产生了四个正π介子（红色）和四个负π介子（绿色）。最右边的黄色条纹是一个μ介子，它是相邻π介子的衰变产物。（深蓝色的卷曲部分是从原子中撞出的低能电子，与反质子没有相互作用。）图源：伯克利实验室

反质子实验几位科学家，从左至右依次为埃米利奥·塞格雷（Emilio Gino Segrè，1905年1月30日—1989年4月22日）、克莱德·维甘德（Clyde Wiegand ，1915年5月23日—1996年7月5日)、爱德华·约瑟夫·洛夫格伦（Edward Joseph Lofgren ，1914年1月18日—2016年9月6日) 、欧文·张伯伦（Owen Chamberlain，1920年7月10日—2006年2月28日），托马斯·约翰·伊普西兰蒂斯（Thomas John Ypsilantis，1928年6月24日—2000年8月16日) 。图源：伯克利实验室

1955年10月18日，加州大学伯克利分校举行新闻发布会，宣告了这一重大发现，引起巨大轰动。有媒体称，物理学家做出可怕的新粒子，人接触到这种粒子就会爆炸，显然这位记者误解了粒子湮灭的本质。高能物理实验至今已经产生了数万亿个反质子，未发生过造成人员死亡的事件。

11月1日，发现反质子的论文发表在物理评论上（Phys. Rev., 1955, 100, 947）。

SAIXIANSHENG

后续影响

正电子发现之后，一些物理学家曾下注赌反质子是否存在。现在到了这些物理学家兑现赌约的时候了。比如理论粒子物理学家Maurice Goldhaber赔了500美元（购买力相当于现在的6000美元）。

反质子实验的领导者埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦获得1959年诺贝尔物理学奖。

反质子的发现直接激励了高能物理实验技术的发展，促使实验高能物理学家建造更大的加速器，发展更精确的粒子飞行时间探测器，研制反质子储存和减速装置，并对反质子做更精确的测量，并探索反质子的应用，比如治疗癌症、成像、深空航天器推进等（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 1989, 40–41, 1322; Hyperfine Interactions, 1997, 109, 155; Frontiers in Physics, 2014, 1, 37; Hyperfine Interactions, 2003, 146, 319）。

反质子的发现，以及之前正电子的发现，向物理学家强烈暗示，其他粒子的反粒子乃至反物质不再是异类的存在，这激励物理学家找到它们。

反质子的存在还强化了物理学家秉持的一个深刻观点：自然界遵循某些对称性。这进一步凸显了对称性在现代物理学中作为指南针的作用。

另外，这一发现还引发了新的宇宙学问题。如果反物质是可以存在的，那么为何可观测的宇宙中绝大多数是由物质构成的呢？宇宙中物质与反物质的数量的不对称性是怎么来的？这一难题至今仍困扰着宇宙学和高能物理学。如果物质与反物质精确相等，精确湮灭，也就不会有我们思考这二者为何有差异。

在实验室之外，反质子还激发了文艺工作者的灵感。反物质湮灭成为了未来能源和科幻引擎的灵感源泉，从通俗杂志到电影《星际迷航》都有涉及。

不过，文艺工作者还远没有充分挖掘出反质子的科学震撼。比如，从反粒子、反物质是不是可以推广开去，太阳系、银河系乃至整个宇宙是不是都有一个相反的镜像，一旦相遇，化为一场灾难性烟花。

最后奉送一条安全小贴士：“慎照镜子”。

参考文献：（上下滑动可浏览）

[1] Scientific American, 1956, 194, 37

[2] https://cern-courier.web.cern.ch/a/fifty-years-of-antiprotons

[3] https://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2005/October/01-antiproton.html

[4] https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=32852

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Antiproton

本文转载自《赛先生》微信公众号

《物理》50年精选文章