中國超強激光產(chǎn)生反物質(zhì)：到底有多牛？

　　3月，中國科學(xué)院上海光機所強場(chǎng)激光物理重點(diǎn)實(shí)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(xué)家首次利用激光成功產(chǎn)生反物質(zhì)，這一發(fā)現將在材料的無(wú)損探測、激光驅動(dòng)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)現再次引起各界對于“反物質(zhì)”的關(guān)注，而這一經(jīng)常出現在科幻電影中的名詞其實(shí)并沒(méi)有那么神秘和遙遠，我國科學(xué)家近年來(lái)在反物質(zhì)領(lǐng)域也取得了許多突破性進(jìn)展。

　　圖1 我國科學(xué)家成功利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)

　　上海光機所強場(chǎng)激光物理重點(diǎn)實(shí)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(xiàn)，伽馬射線(xiàn)再和重核作用產(chǎn)生正負電子對。正電子譜儀經(jīng)過(guò)精心設計，成功解決了伽馬射線(xiàn)帶來(lái)的噪聲問(wèn)題，利用正負電子在磁場(chǎng)中的不同偏轉特性，實(shí)驗中在單發(fā)條件下就成功觀(guān)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(kāi)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動(dòng)正負電子對撞機等具有重要意義。未來(lái)，在高能物理、材料無(wú)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(xué)家首次成功獲得反物質(zhì)引起了科學(xué)界的巨大反響，那么究竟何為反物質(zhì)?反物質(zhì)的發(fā)現經(jīng)歷了怎樣的歷程?科學(xué)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?？茖W(xué)家們認為在大爆炸的初期，物質(zhì)與反物質(zhì)幾乎是對稱(chēng)存在的。但是，為什么自然界中充滿(mǎn)肉眼可見(jiàn)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?這也是現代物理學(xué)研究的基本問(wèn)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(xué)家狄拉克于1931年因為狄拉克方程負能解問(wèn)題而首次提出。1932年安德森在宇宙射線(xiàn)中發(fā)現正電子;1955年塞格雷和張伯倫通過(guò)伯克利的同步穩相加速器把質(zhì)子加速后打到銅靶上而發(fā)現了反質(zhì)子;1956年考克等人利用反質(zhì)子轟擊質(zhì)子，在湮沒(méi)過(guò)程中觀(guān)察到了中子和反中子，其他的反粒子也在隨后的科學(xué)實(shí)驗中被逐漸發(fā)現，眾多的諾貝爾獎工作成果讓反物質(zhì)的概念開(kāi)始深入人心。

　　簡(jiǎn)言之，物質(zhì)和反物質(zhì)是對稱(chēng)的，其所有的性質(zhì)或是相同或是相反。在這個(gè)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(huà)，就得到一個(gè)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(xué)家實(shí)現的實(shí)驗室捕捉反氫原子技術(shù)。再用反原子組成反分子，構成反物質(zhì)。

　　國際首次：我國科學(xué)家發(fā)現反超氚核和反氦4

　　其實(shí)早在上海光機所成功獲得反物質(zhì)之前，國內在反物質(zhì)領(lǐng)域的研究就已經(jīng)取得了國際性的進(jìn)展，中國科學(xué)院上海應用物理研究所馬余剛等，就曾連續取得兩項國際首次，即首次發(fā)現超氚核和反氦4，是迄今為止科學(xué)家發(fā)現的第一個(gè)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(shí)驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上開(kāi)展了實(shí)驗研究。中國科學(xué)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(xué)家合作，他們通過(guò)反氦3和π介子衰變道的不變質(zhì)量譜重構，首次探測到第一個(gè)反超核粒子———反超氚核。這是迄今為止科學(xué)家們發(fā)現的第一個(gè)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)研究結果發(fā)表在2010年4月2日《Science》上。

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

　　圖中徑跡實(shí)線(xiàn)部分為時(shí)間投影室記錄到的部分， 虛線(xiàn)段為延伸到碰撞頂點(diǎn)部分