反质子的发现与狄拉克反粒子理论

反质子的发现

精诚合作的科研成果

正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论，一些理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明，即使不能形成稳定的负能粒子海，也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。

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二十多年的时间。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。

反质子收集器

张伯伦1920年12月10日出生于美国加利福尼亚州的旧金山。他父亲是一位著名的放射学家，对物理学也很有兴趣。张伯伦在1941年从达特默斯学院毕业，进入伯克利加州大学当物理系研究生。由于第二次世界大战爆发，他停止了学业加入美国研制原子弹的机构——曼哈顿工程。在那里他在西格雷教授的指导下，一起研究核截面和重元素的自发裂变。后来他和西格雷一起转到新墨西哥的洛斯阿拉莫斯。1946年张伯伦于芝加哥大学在费米教授的指导下工作。他和费米一起进行慢中子在液体中的衍射实验。1948年，张伯伦开始在伯克利加州大学任教。1949年完成了博士论文。1958年升教授。他和西格雷等人合作做了质子——质子散射实验和极化效应的研究。1955年后，张伯伦参加设计了一系列实验以研究反质子与氢和氘的相互作用、从反质子产生反中子，以及π介子散射等问题。1963～1964年，他和阿布拉冈各自独立地制成含有极化质子的靶，这种靶子可用于高能核反应。

西格雷1905年2月1日出生于意大利罗马的蒂沃利。父亲是工业家。他1922年进罗马大学学工程，1927年转物理系，当了费米教授的研究生，1928年从费米手里第一个获得博士学位。他在军队中短期服务后，到罗马大学当助教。1930年获基金资助到德国汉堡在斯特恩处和荷兰阿姆斯特丹在塞曼处做研究工作。回到罗马后，和费米一起研究中子的人工放射性。1938年到美国加利福尼亚州伯克利，在加州大学辐射实验室当助理研究员。西格雷的工作主要是在原子和核物理学方面。他早期研究原子光谱学，对禁戒谱线光谱学和塞曼效应做出过贡献。1940年，西格雷和佩利尔等人合作，发现了人工合成的新元素：锝、砹和钚239。1955年西格雷和张伯伦发现反质子标志着人类对反世界的认识又上了一个新的台阶，这是狄拉克理论的一个胜利，也是人工加速带电粒子所取得的又一项重大成果。自1951年能够产生介子的同步稳相加速器开始在芝加哥运转以后，那里的科学家就集中力量寻找各种基本粒子存在的证据。费米发现正π介子与质子的碰撞截面显出非常高的极大值。在这以后，人们在这一能区陆续发现了数百种新粒子。这时在伯克利辐射实验室，以劳伦斯为首的核物理学家们正在努力建造一种能量更高，规模更大的加速器——质子同步稳相加速器。他们的目标指向新的核子。电子的反粒子早已于1932年被发现，这就是正电子。根据狄拉克理论，人们一直在期望能发现反质子和反中子。只要简单地把狄拉克理论应用到质子，就可以预见到反质子的特性，电量和磁矩相等而反号，但是，斯特恩却发现质子的磁矩和狄拉克理论的推算竟完全不同，这清楚地表明了，不能作简单的类比。从宇宙射线的观察虽然对此能有所启示，例如1947年海瓦德就曾报道过观察到类似的事例，却不能做出明确的结论。

狄拉克(www.xing528.com)

1955年伯克利的质子同步稳相加速器的能量达到了6GeV，相当于在质量中心可达2GeV。这是要产生质子-反质子对所需的最小能量。人们正是按这要求设计这台大型加速器的。张伯伦-西格雷小组用这台设备把质子加速到6.2GeV，打到铜靶上，如果一切正常，应该能从出射束中检测到反质子。但是出射束是质子、中子和各种介子的混杂物。要从这堆亚原子的混杂物中检测出

反质子却不是一件容易的事。它带负电，用磁场就可以从其在磁场中的偏转检验出来。但要确定其质量，却必须对它同时测量两个独立的量：动量和能量（或速度和射程）。这一测量是用磁装置和在10米多远处安装的切连科夫计数器进行的。从照像乳胶所得的爆炸性核蜕变“星形”径迹记录，可以判断是反质子轰击原子核的事件，从而证明了反质子的存在。

张伯伦和西格雷的成功标志在于：他们能从包含有许多其他粒子的射束中鉴别出非常非常稀少的反质子。用磁场分析射束，3万个粒子中仅有一个是反质子，而用早期的装置每15分钟才能记录到一个反质子。当他们记录到40个事件在误差范围内显示有反质子之后，他们才肯定确实是发现了反质子。1956，考克等人也用计数器方法显示了反中子的存在。他们是用反质子轰击质子，在湮没过程中产生了中子和反中子。1958年又有人用π介子束使核乳胶记录到反Λ粒子。伯克利的阿尔瓦雷斯用氢泡室发现了反Σ粒子。这些新发现令人们相信，反物质是存在的，甚至还可能存在一个反世界。粒子和反粒子之间的对称性，成了物理学的一个新真理。对每个粒子都有其质量相同，电荷相反，奇异数相等也相反，自旋相等，磁矩相等和相反的反粒子。简而言之，所有的性质或是相同或是相反。

人们相信，如果用反质子和反中子代替原子核中的质子和中子的话，就得到一个反原子核。如果再配以反电子即正电子，就可形成反原子。再用反原子组成反分子，甚至可以构成反物质和在宇宙里存在反物质区。这一切仍然是一个神秘的未知世界。

关于反质子的进一步探索

鲁比亚在正反质子对撞机上进行几百吉电子伏的对撞实验，发现了现代弱电统一理论所预言的传力子，因而获得1984年度诺贝尔奖物理学奖。1979年10月30日，美国科学家利用高空气球，测出了星际空间的反物质流。这是在地球上的实验室以外第一次发现反物质。美国新墨西哥州立大学的科学研究人员最近把60层楼高的充氦大气球放到35千米的高空。气球上装载了2.27吨重的高灵敏度科学探测器材，其中包括一个136.1千克重的低温超导磁体。气球在高空中飞行了8个小时，它的探测器的磁场测获了28个反质子。科学家们认为，这一发现对宇宙起源的研究将发生重要影响。