反物质

CERN科学家捕获反氢原子抓住“反物质”欧洲核子研究中心（CERN）是一个庞大的科研机构，除了LHC的相关实验之外，还有上百个实验在同时进行，而大部分的实验，最终的目的都是一个：解开宇宙起源之谜。我们知道建造LHC的最主要目的是为了寻找闻名却未见的希格斯子，但CERN还有很多其他的事情要做。比如说按照现行理论，宇宙大爆炸时同时出现了物质和反物质，但是两者却无法共存，但为什么今天的宇宙只有物质但没有反物质呢？反物质到底是什么东西？随着技术的进步，这也成了物理界越来越引人注意的话题。11月底，CERN发布的一个突破性消息引起了人们的广泛关注。反氢激光物理设备（ALPHA）坐落于CERN的主楼群，仅有40位科学家为此工作。正是他们首次长时间捕捉到了反物质。尽管这个发现借用了LHC的成果，但其实验和LHC的思想完全相反，不是加速，而是“减速”。对称定律解释世界和其它物理界的发现一样，反物质首先也是“思想实验”。早在79年前，英国物理学家狄拉克就试图把量子理论和狭义相对论结合在一起。这是两个互不兼容的基本物理理论。狄拉克发现，反物质必定存在。1932年，人们在实验中寻找到了狄拉克设想的正电子，其质量、带电量与电子完全相同，只不过它带的是正电（电子带负电荷）。随后，人们逐渐发现了各种基本粒子对应的反物质。“反物质就像是物质在镜子中的像。它和对应基本粒子的质量完全一样，却具有相反的其他量子性质。”ALPHA实验发言人杰弗瑞（Jeffrey Hangst）在接受本报记者采访时说，“质子带正电，反质子带负电；电子带负电，正电子带正电……”按照目前解释微观世界最好的理论模型，宇宙大爆炸时，同时产生了物质和反物质。今天，NASA的天文学家们也观察到，在遥远的宇宙区域———也就是我们所能看到的早期的宇宙，似乎存在物质和反物质碰撞后产生的伽玛射线踪迹。不过今天的宇宙却是由物质而非反物质组成的。“自然选择了物质，反物质似乎消失了。没有人知道为什么。”宏观世界中，很多东西都是对称的。微观世界也是这样。在“标准模型”中，有着一个对称定律，认为量子场论方程所有允许的解，都依据这个对称定律，物质所遵循的物理法则，反物质也同样遵循。这个对称定律由三个字母组成：C、P、T，它们意味着三方面的对称：电荷共轭变换、宇称（左右）、时间反演。在随后的岁月中，不少物理学家们靠研究对称性问题拿下了nbl奖。其中很多人研究的是“对称破坏”，即在一些物理过程中，一些对称性（特别是C和P的对称）被破坏了。“CP对称破坏”是描述今天宇宙中物质数量超过反物质的重要解释之一。目前，有很多科学实验都在对这个现象进行验证，希望通过反物质研究了解到对称性定律及标准模型的有效性。最冷的反物质LHC的四大探测器之一LHCb研究的主要就是反物质和对称性问题。但ALPHA实验却和LHC几乎没关系，和LHCb的实验目的和方法也截然不同。在这里科学家们同样选择了氢，氢原子和反氢原子都只有一个质子和一个电子，结构非常简单。两个反氢原子的原料分别是这么制作的，将定向质子束射向一小片铱，高能碰撞会生成反质子，再加以分阶段冷却。由放射性钠衰变产生正电子也加以冷却。“我们借用了对撞机中产生的反氢质子，所以我们还是依附于CERN的实验。但设备和实验都是我们自己设计。”杰弗瑞告诉本报记者。在ALPHA 并不大的实验室里，层层的管道连到磁场上方的探测器。在这里工作的科学家设计了一个改变速度的设备。它并不是另一个加速器，而是一个减速器。科学家将已有的反质子和正电子放在一起，令其生成反氢原子，然后让它逐渐减速，以便在一个像浴缸一样的磁场中将其“捕获”。反物质无法与物质共存，因为两者一旦接触，便会同时消失并转化为能量，转化的能量形式如光子，这个过程用术语叫做“湮灭”。该过程产生的能量十分巨大。ALPHA的实验结果却跨过了这个门槛。首先，实验必须在真空中进行，科学家设计了一个真空管道，排除了绝大部分的空气物质。反氢原子是中性的，没法通过电荷来捕获，怎么逮住它呢？杰弗瑞介绍，尽管电中性，反氢原子还是带有微弱的磁场，可以对磁场做出反应。在热力学上，温度体现的是物质粒子的动能。理论上说，如果物质粒子达到绝对零度时，它应该完全静止。所以，温度越低，粒子的速度越慢。科学家们让来自 LHC的高能反氢质子减速冷却，最后让-70℃左右的反质子束和更冷的正电子束进行对撞，一些反质子和正电子结合形成了反氢原子。如果说LHC的目的是令粒子更快、更热、更重，那这个实验中，原子则变得更冷更慢，其中速度最慢的反原子，温度仅有-272.5℃。这些超级冷的反原子，最后“陷”入了一个超导磁铁构成的“磁场缸”里。“磁场越强，抓住的反原子也越多。”杰弗瑞说。他们共运行了335次实验，由1000万个反质子和7亿个正电子结合。产生的反氢原子中，有38个被捕获。要观察被“囚”的反物质的存在，唯一的方法就是“释放”它。0.17秒后，科学家们关闭了磁场，反氢原子迅即与氢原子碰撞，湮灭无踪。探测装置及时地记录下了这38次能量爆炸。这些爆炸都发生在反氢原子和产生磁场的缸状容器壁上。反物质和物质湮灭后形成了新的粒子。实验中，新产生的粒子是名为π介子的亚原子粒子。杰弗瑞说，这是科学家第一次长时间“逮住”反物质。LHCb这样的高能粒子实验是没法捕捉反物质的，因为高能量的反粒子会迅速与实验设备相撞而消失，唯一能困住的，是低能、寒冷、运动缓慢的反粒子。反物质不会炸毁地球在高能物理的反物质实验如LHCb，主要的实验目的是寻找宇宙初期为何物质战胜了反物质而存在。另一些反物质实验，如CERN的另一实验ATHENA，主要研究反物质和引力的关系，而ALPHA的主要目的是研究标准模型是否能够同样作用于反物质。标准模型认为，反物质和物质遵循一样的物理原则，比如反粒子应该和对应的粒子一样能够吸收同样的光的颜色。因此，此次科学小组用激光照在反物质上，准备探究其是否和对应的物质一样吸收同样的光波。“到目前为止，在量子层面上，‘CPT对称定律’都表现得很好。但对于反物质，人们从来没有在原子核层面测量过其对称问题。”杰弗瑞说，“我们不知道为什么自然选择了物质而不是反物质，也不知道标准模型是否能够应用在反物质系统，或许标准模型能够在反物质中被证实，或许我们会寻找到惊喜，因为我们不知道物理会往哪儿走。”捕捉反物质的技术正在突飞猛进。杰弗瑞表示，明年年初，他们将能够捕获更多的反原子。CERN的另一个实验项目ASACUSA，最近也在他们实验的基础上，通过新技术，将反氢原子引导到一个真空管中研究飞行速度。这个实验的目的是制造足够多的反物质，研究其运动行为。即使这样，反物质的取得基本上还是只存在于实验室。79年前，狄拉克第一次提出了反物质的想法，这个名字就开始进入科幻小说。15年前，科学家制造出了反物质，但直到今天，人们才第一次较长时间捕捉到了反物质。虽然动用了大量昂贵的超导磁铁，科学家也只逮住38个反氢原子，技术之艰难可见一斑。因此，对于媒体与文艺作品描述的，将反物质作用于航空、军事等领域的设想，杰弗瑞表示这完全是天方夜谭，离科学现实还远得很。“要造出《星际迷航》或者《天使与魔鬼》中所描述的那么多反物质，我们所需要的时间甚至会超过宇宙的寿命。而且，为制造它们而消耗的能量要比它们最后产生的能量还要大。”他补充说，在小说《天使与魔鬼》中，就提到了ALPHA实验使用的低能反物质。在拍摄同名电影的时候，导演曾来CERN咨询相关科学细节，但最终还是为了保证良好的视觉效果，将故事嫁接在了LHC上———实际上，LHC是根本无法保留住反物质的。另一方面，反物质研究可以推动技术进步。今天，反物质已经在医学上的正子放射断层扫描仪（PET）中发挥作用。但真正研究反物质的目的，还在于科学追求真理的本质。“人类的好奇心永远无止境，我们想要知道宇宙爆炸时到底发生了什么。”杰弗瑞说。

新华社日内瓦4月30日电 （记者刘美辰 吴陈）欧洲核子研究中心ALPHA项目组在一份新研究报告中说，在成功“抓住”反氢原子较长时间后，他们目前正试图直接分析反物质与引力的相互作用，以确定反物质到底是向下落还是“向上落”。 与人们所熟知的物质不同，反物质的原子由带负电的质子和带正电的电子组成。据当前理论预计，氢原子和反氢原子具有相同的质量，因此它们与引力的相互作用方式也应该相同：不管是氢原子还是反氢原子，一经释放就会受到向下的作用力。但这一理论还有待实证检验。 ALPHA项目组此前用特殊磁场将反氢原子“抓住”达1000秒。然后反氢原子被释放，研究人员利用对位置敏感的湮灭探测器观察其运动轨迹，试图分析引力对被释放的反氢原子的影响。 ALPHA项目组于4月30日在英国《自然通讯》期刊上报告说，这是科研人员首次能对反物质与引力的相互作用进行直接分析。不过，他们目前还只是迈出了直接观测、分析引力如何影响反物质的第一步，因为根据现阶段的数据仍无法确认反物质在引力的作用下到底是向下落还是“向上落”。 据介绍，ALPHA实验设备升级后，明年将重新启动。届时在更多数据支持下，有望更好地直接观察反物质如何受引力作用。 项目组研究人员乔尔·法扬斯说：“如果反物质真的‘向上落’——发生这种情况的可能性不大，那么我们就不得不改变对宇宙运行方式的看法了。”

导读]欧洲科学家成功制造出多个反氢原子，并使其存在了0．17秒，这是物理学界的突破性发现，也是人类首次捕获到反物质。500克反物质的破坏力可以超过世界上最大的氢弹。英国《自然》杂志网站17日刊登研究报告说，欧洲核子研究中心（CERN）的[url=http://tech.qq.com/science.htm][color=#000000]科学[/color][/url]家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0．17秒。这个时间听起来似乎仍然很短，但对于科学家来说，这个时间长度已十分难得，可以对反氢原子进行较为深入的观测和分析。因此，这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。反物质至今都是物理学领域的一大谜团。我们周围环境中的物质是正物质，它由原子组成，原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反，由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。反物质只要和正物质相遇就会湮灭，因此虽然现行理论认为宇宙从大爆炸中诞生时产生了等量的正物质和反物质，但我们很难在宇宙中找到反物质。寻找和研究反物质因此也成为物理学领域的热点和难点。新华网[b]星际迷航可降“魔”在美国科幻片《星际迷航》里，宇航员把反物质用作星际飞船燃料。而在美国作家丹·布朗畅销小说《达·芬奇密码》的姊妹篇《天使与魔鬼》中，犯罪集团企图从欧洲核子研究中心盗取反物质，用以炸毁整座梵蒂冈城。反物质，正常物质的反状态，极不稳定而几乎不存在于自然界。研究人员8年前在实验室里制成反物质，但这些反物质一接触容器壁便瞬息湮灭。抓不住，便无从加以深入研究。英国《自然》杂志网站17日发布报告，欧洲研究人员在科学史上首次成功“抓住”微量反物质。

核心提示：欧洲科学家近日首次成功俘获少量“反物质”。人工制造的38个反氢原子存在了大约0．17秒，这个时间比先前有了实质性延长，足够进行深入的观察研究。http://img2.cache.netease.com/cnews/2010/11/19/2010111912071441bd1.jpg 大型强子对撞机(资料图)欧洲核子研究中心的科学家们在欧洲当地时间的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。存在时间是关键 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。2002年，欧洲核子研究中心的实验进一步表明，反氢原子可以大量制造，但如何让它们存在时间长一点仍是难题。因此，这次实验成果的突破就在于，人工制造的38个反氢原子存在了大约0．17秒。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。利用磁场作“陷阱” 欧洲核子研究中心介绍说，这次之所以能够将反氢原子捕获长达0．17秒，要归功于一种特殊的磁场。 在实验室中，反氢原子是在真空环境里制造出来的，正常情况下瞬间就会与正物质发生湮灭并消失。而这个强大而复杂的磁场会像陷阱一样“拖延时间”，使反氢原子与正物质的接触稍作延缓。实验显示，利用这种磁场，可以将“牵制”反氢原子的时间延长到十分之一秒的量级，这对于观察研究反氢原子来说已经“足够长”。最终，欧洲核子研究中心在制造出的数以千计的反氢原子中，成功地使其中的38

观测到的不对称行为信号水平超过5西格玛2013年04月26日 来源： 科技日报 作者： 华凌 科技日报讯据物理学家组织网4月24日报道，欧洲核子研究中心今天在《物理评论快报》上提交了一份报告称，大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）首次在B0s粒子的衰变中观察到物质—反物质的不对称性。这是已知的第四个亚原子粒子表现出了这种行为。 LHCb是LHC上的六个探测器之一，主要目标是测量在b强子中的CP破坏和新物理。“CP”是电荷共轭(Charge conjugation) 与宇称 (Parity) 的首字母缩写组合。电荷共轭对称性通常也叫做正反粒子对称性。 多数物理学家认为，宇宙大爆炸之初是处于正反物质对称的状态。但天文观测表明，如今的宇宙却是以物质为主的。这就产生了一个问题：宇宙中的反物质到哪里去了？目前虽还没有完整的答案，但物理学家们普遍认为，CP对称性的破缺正是解决问题的关键环节之一。因为CP对称性的破缺表明物质与反物质在参与相互作用时存在着细微差别，正是这种差别，外加一些其他条件，最终导致了两者的数量差异。从这个意义上讲，我们这个五彩缤纷的物质世界，包括人类自身，都是CP对称性的细微破缺留下的遗迹。 大型强子对撞机一直在寻求粒子和反粒子行为的细微差别。其LHCb实验现已观察到B0s衰变粒子中的CP破坏，这是在2011年实验收集的数据基础上做出的分析。LHCb发言人皮耶路易吉·坎帕纳说：“在B0s粒子中发现不对称反应超过5西格玛的水平，该结果要归功于大型强子对撞机提供的大量数据和LHCb探测器对粒子的甄别能力。而在其他地方的实验还不能够积累到足够多的B0s衰变。” 在20世纪60年代，美国布鲁克海文国家实验室首次在被称为中性K介子观察到违反CP的对称性。大约40年后，日本和美国实验中在另一个粒子B0介子中发现了类似的行为。最近，在所谓的B介子工厂和欧洲核子研究中心LHCb的实验发现，B+介子也演示了CP破坏。所有这些CP破坏现象可在标准模型中占有一席之地，不过这些引人入胜的差异，还需要更详细的研究。（华凌） 《 科技日报》 2013-04-26 （二版）

美探索用反物质造伽马射线激光器 可对非常微小的空间进行探测 科技日报讯 传统激光器的操作光波可从红外线到X射线一网打尽，而伽马射线激光器则依靠比X射线更短的光波来运行，这就使其能产生波长仅为X射线千分之一的光波，从而能对非常微小的空间进行探测，并在医学成像领域大展拳脚。不过，长期以来，建造伽马激光器一直是个难题。现在，美国科学家让一类名为“电子偶素（positronium）”的物质—反物质混合物作为增益介质，将普通光变成了激光束。 据美国趣味科学网站5月8日报道，在最新一期的《物理评论·原子分子物理》杂志上，马里兰大学联合量子研究所的王逸新（音译）、布兰登·安德森以及查尔斯·克拉克撰文表示，他们发现，当向电子偶素提供特定能量，它将产生在其他能量下无法制造出的激光；而且，要制造出激光束，这种电子偶素必须处于玻色—爱因斯坦凝聚态下。 克拉克解释道，这种奇怪的效应与电子偶素的“性格”有关。每个电子偶素“原子”实际上是一个普通的电子和一个正电子（电子的反物质）。正电子和电子分别带正负电荷。当它们相遇时，会相互湮灭并释放出两个高能光子，这两个光子位于伽马射线范围内，反向移动。 有时，电子和正电子会围绕对方旋转，就像电子围绕着质子旋转组成原子一样。然而，正电子比质子轻，因此电子偶素并不稳定，在不到十亿分之一秒内，电子和正电子会相互碰撞并发生湮灭。 为了制造出伽马射线激光器，科学家们需要使电子偶素的温度非常低，接近绝对零度（零下273摄氏度）。这一冷却过程会让电子偶素进入波色—爱因斯坦凝聚态，这种状态下物质内的所有原子，也就是电子—正电子对，进入同样的量子状态，一举一动整齐划一。 量子状态的一个方面是自旋。电子偶素的自旋数要么为1，要么为0。一束远红外线光脉冲能让电子偶素的自旋数为0。自旋为零的电子偶素会湮灭并产生双方向相干的伽马射线束—激光束。研究人员表示，能做到这一点是因为所有电子偶素“原子”拥有同样的自旋数。如果是自旋为0和自旋为1的电子偶素随机组合，那么，光会朝各个方向散射。 研究人员也计算出，为了让一台伽马射线工作，每立方厘米大约需要1018个电子偶素原子，听起来有点多，但与空气的密度相比还是少很多，同样体积的空气大约有2.5×1019个原子。 在1994年首次提出伽马射线激光器这一概念的贝尔实验室的艾伦·米尔斯表示，研究人员可以借用数学方法，让制造这种激光器所需要的环境更加精确。（刘霞）来源：中国科技网-科技日报 2014年05月10日

为什么宇宙中充斥着物质而非反物质？这是物理学领域最大的未解之谜。据英国《新科学家》网站报道，现在，美国费米实验室的最新实验认为，宇称不守恒或可解释物质为何能成为宇宙的主导。　　粒子物理标准模型认为，宇宙诞生伊始，物质和反物质一样多。如果情况真如此的话，在强烈的辐射下，物质和反物质相遇后会立即湮灭，那么，星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。因此，有科学家进而提出，可能是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷不对称，导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界，这就是所谓的宇称不守恒（CPviolation）。

据目前所知，宇宙能量中仅有约4.6%是由重子物质（正常原子）构成，23%由暗物质构成，剩下约72%由暗能量构成。而且，在可见宇宙中，几乎所有的重子物质都是物质（重子带正电荷）而不是反物质（重子带负电荷）。物理学家最近提出了一种新机制，能同时解释宇宙中的重子不对称和暗物质密度。 　　提出新机制的研究小组包括美国纽约布鲁克海文国家实验室和英属哥伦比亚大学的科学家，研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”（hylogenesis）。

阿尔法磁谱仪项目发布首个实验结果正电子可能来自人们一直寻找的暗物质2013年04月04日 来源： 中国科技网 作者： 魏东 李宁 中国科技网讯 日内瓦时间4月3日下午5时，在欧洲核子中心，由诺贝尔物理奖获得者丁肇中主持的阿尔法磁谱仪（AMS）项目发布了第一个实验结果，已发现40多万个正电子，这些正电子有可能来自脉冲星或人们一直寻找的暗物质。 据介绍，由AMS探测的40多万个正电子，是目前太空中直接观测、分析到的最多的高能量反物质粒子。每一个收集的讯号参数都需要仔细的重建、分类与存档，由数个AMS物理学家小组进行独立的分析，以确保结果精确。 暗物质是源于暗物质粒子的碰撞还是银河系中脉冲星？对此，丁肇中表示，答案在不久将见分晓。他认为，AMS有能力探索新物理，它将在国际空间站长期观测，预计每年记录160亿个宇宙射线信号，并传回地面。 作为安装于太空中的精密粒子探测装置，AMS从2011年5月19日至今，已观测超过311亿个宇宙射线，其能量高达数万亿电子伏特。其中，前18个月的太空实际探测运转中，AMS分析了250亿个初级宇宙射线；确认了680万个电子及其反粒子——正电子的事例。 AMS实验表明，正电子与电子的比率没有显示出空间的各向异性，即高能的正电子不是来自于空间某个特定的方向，此举为新物理现象找到了论据。 AMS项目耗资21亿美元，是上世纪和本世纪初世界上最大的科学计划之一，也是目前唯一被永久安放在国际空间站上具有开创性的大型科学实验。实验过程可能持续15—20年，目的是探测外层空间反物质与暗物质。有16个国家和地区的600余名科学家参与其中。2011年5月16日，AMS由美国“奋进号”航天飞机送入太空。山东大学程林教授带领团队设计完成了在国际空间站上运行的粒子探测装置——阿尔法磁谱仪的热系统，这是由中国制造的唯一大型组件，解决了太空粒子探测的关键工程问题。（记者 魏东 通讯员 李宁） 《科技日报》（2013-4-4 一版）

2011年，当美国奋进号航天飞机用自己的最后一次飞行将“阿尔法磁谱仪2”（AMS-02）送至空间站后，美国媒体称其送上天的是一块“心血之结晶”，而“这台仪器如果按计划实现目标——探测到了暗物质的蛛丝马迹，那它将给丁肇中带来人生中另一座诺贝尔奖杯”。　　据英国BBC网站报道，2013年4月，物理学家丁肇中及其团队公布了由其主持了18年的阿尔法磁谱仪项目首批研究成果：现已收集到40万个正电子，数据误差只有1%，实验观察到宇宙射线流中正电子存在的比率符合关于暗物质存在的理论预测。　　但研究者言辞谨慎，却让大众觉得模棱两可，究竟那40万个正电子是什么概念，人类为什么要千方百计寻觅暗物质？新成果能让我们解开它的谜题吗？　　暗物质是永远绕不开的题目　　关于暗物质，最常听见的一句话就是：它在宇宙中所占的比例，远高于目前人类所有能看到的常规物质。　　其实，暗物质课题之所以如此具有挑战性，皆因其并不能为肉眼和常规探测设备所发现——无论先进设备用什么波段的光寻找，都不行。　　但我们又不能对暗物质置之不理，这就好像是宇宙中覆盖了一张纵横交错编织而成的巨大却看不见的网，这张网的脉络波及深远，促成的不只是我们头顶点点繁星，还包括我们人类自身。但在科学史上，人们从不曾完整揭开它的面纱——只有质量能泄露它们的蛛丝马迹，而关于暗物质本身的成分和结构，仍形同迷雾。　　这就是物理学基本理论中有着重要意义的一环。进一步的科学研究，永远也绕不开横亘在人类与暗物质之间的沟壑。正因如此，近些年财政吃紧的西方国家，却都不愿意放弃对暗物质研究的投入。　　也可以说，探测暗物质一事，关乎人类对整个宇宙形成、演化的理解和完善。毕竟，宇宙的概念，不但涵盖了我们看得见的那小小一部分，还包括了我们尚没能力看见的绝大部分。　　而现在，人们想要探测暗物质，有两个办法：将仪器放在地下深处，或者送上太空。阿尔法磁谱仪项目就是后者。　　阿尔法磁谱仪2证明了其价值　　在磁谱仪中，有一个非常关键的部分就是永磁体，采用了磁场强、漏磁小的钕铁硼永磁材料，能使探测器中的磁场是地球磁场的4000倍（地球磁场约为0.5高斯），可以直接探测到通过其中的单个粒子；飞行时间闪烁器的作用是在粒子或反粒子经过探测器时进行记录、读数，并测量粒子的速度；而硅微条探测器则由上千个硅传感器组成，用于测量粒子的轨迹；气凝胶切伦科夫阈值计数管则可确定反质子的存在，并能帮助科学家将正电子或负电子与其他粒子如质子、介子区分开来。而暗物质粒子，被认为是大质量弱相互作用粒子（WIMP），拥有自身的反粒子。　　这些七晕八绕的阐释，说明了为什么丁肇中在“暗物质探测结果”的发布会上不停地提到“反物质粒子”一词——这是磁谱仪的工作原理。更主要的，这也说明磁谱仪并不同于常规探测设备。它可是人类寻找暗反物质之路上最大的一颗“希望之星”。有以上仪器的协作，阿尔法磁谱仪2就可以收集数百万光年外的恒星、星系等宇宙射线源的信息，通过观测反物质和暗物质研究宇宙的起源和结构，其数据还会作为大型强子对撞机（LHC）的重要补充。　　作为上一代磁谱仪的继任者，阿尔法磁谱仪2已经可以位列有史以来最昂贵及最复杂的太空仪器排行榜之中了。但20亿美元的花费，可不仅仅是为了暗物质，甚至也不仅是为了反物质——AMS-02肩负的是数十年来高能物理学家们一直在寻找的几个基础问题的答案：物质的最基本的成分是什么？使得这些基本粒子相互作用的最根本的力又是什么？——换句话说，AMS-02要以宇宙为实验室，回答地球提出的终极问题。　　而此次发布的首批成果，用美国国家航空航天局（NASA）官方网站的一句话来说：AMS-02证明了其价值。　　人类将解开暗物质之谜？　　据此次公布的成果，AMS项目目前已收集到40万个正电子，项目领导者丁肇中表示：“远超出人们的想象。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象，但数据误差很大，而AMS的误差只有1%。”美国每日科学网站则援引丁肇中的话：“这是有史以来第一个在太空以1%误差这种精度进行测量的。”但丁肇中同时坦承：“我们目前还没有充分证据去排除其他可能性。”　　对于这一结论许多人摸不到头脑。不过NASA官方网站的消息或将说明其意义：在描述完AMS项目的工作原理后，该文章称“更为重要的是，结果指出， AMS-02已经看到了可被证明是难以捉摸的暗物质的证据”，需要的是“更多的研究工作来增进这一发现”。　　可以认为，此次AMS-02以非常高精度的指标，“看”到了暗物质粒子的线索。保守的看法是，新公布的成果向最终找到暗物质存在的可靠证据又迈进了一步。不过，据欧核中心总干事的说法，以AMS-02的精度，加之地球与空间设备的互补，“我完全有信心在未来数年内揭开暗物质之谜”。　　科学发现每天都在进行，只有很少一部分能够推动甚至改变人们对客观世界的认识，暗物质无疑就是其中之一。希格斯玻色子的出现正在认证中，暗物质也正在一步步走向人类触手可及之处，就算数年后答案揭晓，谜题也并非到此为止，想来探索的征程也永不会结束。

中国科技网讯 据物理学家组织网1月7日（北京时间）报道，最近，一个由美国和加拿大科学家组成的国际研究小组，提出了一种为陷落反氢原子制冷的新方法，能使反氢原子温度比现在所能达到的温度低25倍，使它们更稳定，便于开展各种实验操作。研究人员指出，该成果有可能大大推动反物质实验进步，帮人们揭示反物质迄今未知的神秘性质。相关论文发表在最近的国际物理学会（IOP）出版物《物理学杂志B辑：原子、分子与光学物理》上。 反氢原子是在超高真空陷阱中，将反质子射入正电子等离子体而形成。在此过程中，反质子会捕获一个正电子，成为一个处于激发态的反氢原子，相对于它们的陷落深度而言，其能量较高，会干扰人们对其性质的检测。降低反氢原子能量的方法主要是用激光将其降低到极低温度。这一过程叫做多普勒冷却（Doppler cooling），已经比较成熟。 测量反物质要求严格的参数限制。“造出必需数量的波长在121纳米的激光，并使这种光配合反氢原子捕获实验，这并非琐碎研究。”论文合著者、美国奥本大学教授弗朗西斯·罗拜奇奥克斯说，经过一系列计算机模拟，他们证明了该方法能将反氢原子冷到约20毫开，而目前纪录为500毫开。 “降低了反氢原子能量，对其所有参数的检测就可能更加精确。我们的方法能使陷落的反氢原子平均能量降到不足原来的1/10。”罗拜奇奥克斯说，“反氢原子实验的最终目标是将它们的性质与氢原子作比较，降低其能量是实现该目标的重要一步。” “无论过程是什么，反氢原子的运动速度越慢，就会陷落得越深，由此损失也会越少。”罗拜奇奥克斯说。2011年，欧洲核子研究中心（CERN）报告说，他们将反物质陷落时间延长到1000秒，一年后，人们对反氢原子进行了首次实验。虽然控制陷落反氢原子的技术过程已广为人知，但研究人员认为，激光致冷还能使反氢原子被陷落的时间大大增加。 造出更冷的反氢原子，还可用于测量反物质的重力性质。论文合著者、加拿大国家粒子与核物理国家实验室的藤原诚说，至今还没人见过反物质在重力场中是上升还是下降，要实现这一观察，激光致冷技术是非常重要的一步。（记者常丽君） 总编辑圈点 当1克物质和1克它的反物质相撞湮灭时，迸发出的能量无可比拟。如果用反物质来制造武器，只需几克便可摧毁地球；如果想把人类送上火星，需要千万吨以上的化学原料，而几十毫克的反物质燃料就能办到。反物质的“超能量”无疑吊足了科学家的胃口，尽管目前只在实验室中制造并短暂捕捉到了反物质原子，而文中提到的激光致冷技术，在让反氢原子温度大大降低的同时，也使科学家离揭开反物质的“神秘面纱”又“近了一步”。 《科技日报》（2013-01-08 一版）

原标题：欧核中心进行反引力测试实验 试图验证反物质与反引力理论 科技日报讯 （记者刘霞）据英国《每日电讯报》12月2日（北京时间）报道，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家正在对反引力进行测试，测试结果有望革新物理学理论并改变我们对宇宙的理解。 反引力一直是包括《星际迷航》在内的科幻电影和科幻小说的“常客”。不过现在，科学家们相信，最新实验或许让他们朝着厘清反物质和反引力理论更近了一步。 反物质很难研究，因为理论研究表明，只要与空气接触，反物质就会爆炸成能量，所以必须将其存储在特殊的由磁场“Hold住”的容器内。在最新实验中，研究人员使用一种特制的磁瓶来产生并存储反氢原子（反物质原子）。 接下来，研究团队计划慢慢关闭磁场并观察瓶内的反氢原子是下降还是上升。如果这些原子上升，而非在引力的作用下下降，那么，科学家们将可以发现反物质引力的新属性，而且，整个物理学理论都将被改写。 理论表明，反物质会制造一个反引力场，将周围的事物全部推开，《星际迷航》中的联邦星舰“进取号”就是在此反引力的作用下，不使用任何燃料就可以在恒星之间流畅自如地行进；同样，这一作用力也可被用来让航空器在不使用任何燃料的情况下发射升空。 欧核中心阿尔法（ALPHA）-2实验项目的负责人杰弗瑞·汉格斯特表示：“简而言之，如果我们将反物质放入与地球的引力场类似的引力场内，它上升还是下落呢？” 假如该研究小组设法发现了氢原子和反氢原子的引力差异，对于试图弄明白为什么宇宙大爆炸所产生的反物质几乎都消失殆尽了的物理学家们来说，这不啻为一个意想不到的福音。 物理学理论表明，宇宙大爆炸之后制造出了同样数量的物质和反物质。当物质原子和反物质原子相遇时，它们会相互湮灭。但科学家们认为，物质原子和反物质原子之间，一定存在着细微的差异，使物质能够“干掉”反物质，并最终形成我们现在所赖以生存的宇宙。 而且，诸如暗物质和暗能量的性质等重大的未解之谜，引力似乎也脱不了干系，所以，最新研究或许也能为科学家们提供关于暗能量的“蛛丝马迹”。 总编辑圈点 “星际迷”对于曲速飞行一定不陌生，它被认为是这部科幻作品的各种虚拟科技中，又一项将有希望变为现实的技术。当然，如果有朝一日真正化解了关于反物质的种种疑问，超光速飞行将只是其中一种应用而已。反物质更大的意义，是帮助我们了解宇宙的生成。而且一旦能够对其利用，目前关于能源、武器，甚至人类发展步伐的各种认识，都可能会发生颠覆性的改变。《星际》中，人类在2063年制造出了曲速飞船。还有50年时间，看看科学家是否能再次“跑赢”科幻。来源：中国科技网-科技日报 作者：刘霞 2013年12月03日

美国《时代》周刊12月9日在其网站上揭晓了本年度十大科学发现评选结果。　　1. 最出众的长角恐龙：美国科学家在犹他州发现了15只角，而它们竟然是重达2500公斤的巨型恐龙的头顶装饰物。这种名为科斯莫角龙的恐龙生活在7600万年前，犹他大学研究人员在2007年的一次探险活动中出土了这些化石残骸，但直到今年9月才正式为其命名并进行了描述。化石不仅揭示了这种年代久远的奇异物种，而且表明从前的北美与现在并不一样。　　2. 物质比反物质多1%：美国费米国家实验室的Tevatron加速器在碰撞实验中发现，中性B介子衰变后的产物似乎存在一种不对称性。传统的粒子物理学理论认为，宇宙大爆炸应该产生了等量的物质和反物质，但二者相遇的瞬间就会一起湮灭，而事实是目前的世界由物质组成，反物质却不知所踪。直到今年，费米实验室的科学家发现，粒子碰撞过程中产生的μ介子(一种重电子) 数量比反μ介子多1%。虽然这是个很小的数目，但很显然，正是物质和反物质数量上这一微小差额创造了宇宙。

2011年05月06日 来源： 科技日报 作者： 常丽君　　本报讯 1000秒并不太长，但对于欧洲核子研究中心（CERN）反氢激光物理装置（ALPHA）项目的物理学家来说，却是4个数量级的重大突破。据美国物理学家组织网5月4日报道，CERN此前的记录是捕获了38个反氢原子并保持了172毫秒，而本次实验捕获了309个反氢原子并保持了1000秒，为进一步证明反物质属性铺平了道路。 　　特殊反物质概念是现代科幻小说和电影的最爱，在大众心理层面产生的效果经常会扭曲了反物质的真实性质，或对使用反物质带来的后果产生误解。因此，任何CERN取得的新进展，都可能引发更多联想。　　由粒子和反粒子构成的原子很不稳定，通常仅能存在不到1微秒。而反氢原子完全由反粒子构成，被认为是稳定的，成为精确研究物质—反物质对称体系的最佳目标。反氢原子和氢原子是否具有同样的能级？它和重力会怎样反应？反氢原子在重力作用下会向下落还是向上升，抑或是以其他某种人们想不到的方式？CERN进行的系列实验正是要回答这些问题。　　ALPHA项目研究小组在反质子和正电子结合的时候，将其冷却以降低能量制造出反氢原子，低能态让反氢原子在磁阱中保持一团云状。在实验中，研究人员捕获了309个任意速度的反氢原子，它们在跟各种微量气体碰撞而彻底湮灭或者得到能量逃出磁阱之前，持续存在了1000秒时间。　　研究人员指出，这意味着ALPHA小组掌握了捕获更多反氢原子的技术。下一步计划是冷却一小群反氢原子，以观察它们在重力作用下是升还是降，回答有关反物质属性的关键问题之一。　　实验还首次测量了被捕获反氢原子的能量分布。根据计算显示，大部分被捕获的反氢原子处于基态。这些研究拓宽了进一步实验的范围，包括精确研究CPT（电荷—宇称—时间反演）对称、凸显万有引力效应的制冷温度等，也为系统地研究磁阱动力学提供了关键工具。（常丽君）

欧核中心首次成功制造出反氢原子束向超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步 科技日报讯 （记者华凌）据物理学家组织网1月22日（北京时间）报道，欧洲核子研究中心（CERN）的ASACUSA（低速反质子原子光谱和碰撞）实验首次成功制造出反氢原子束，并在产生反氢原子地方向下2.7米的范围内，即远离强磁场的区域，检测到80个反氢原子。这个结果意味着朝向精确的超精细反氢原子光谱研究迈出重要一步。该研究结果刊登在1月21日的《自然·通讯》杂志上。 为什么宇宙是由正物质而非反物质构成？当前有关亚原子世界的最优理论——粒子物理标准模型也无法给出答案。但科学家认为，物质和反物质属性之间的微小差异可能就是答案所在，而这种差异体现在违反CPT对称定理上。CPT对称指把粒子用反粒子替换，右手坐标系换成左手坐标系，以及所有粒子速度反向，物理定律不变。而反氢原子由一个反质子和一个正电子构成，这样简单的结构是测试CPT对称的最佳模型。 迄今，在宇宙中从未观测到原始的反物质，CERN在实验中通过将反电子（正电子）和由反质子减速器产生的低能量反质子混合，产生大量反氢原子。氢和反氢原子的光谱预测是完全相同的，所以在它们之间的任何微小差异会给新的物理学打开一扇窗口，并可能在解决反物质之谜方面有所助力。凭借其单一质子只伴随有一个电子，氢是最简单存在的原子，在现代物理学中是最精确研究并极好理解的一种体系。因此，比较氢和反氢原子构成是执行物质/反物质对称性高精度测试的最佳途径之一。 当物质和反物质相遇，它们会立刻消减，因此除了创建反氢原子，保持反原子（由反粒子组成的原子）远离普通物质更是关键挑战。要做到此点，实验需利用反氢原子的磁特性（类似于氢气的），并使用非常强的非均匀磁场诱捕反原子足够长的时间来研究。然而，强磁场的场梯度会降低（反）原子的光谱性质。 在ASACUSA实验中，研究人员开发出一个创新的粒子陷阱装置——“卡斯波”陷阱，可利用多个磁场的综合作用将反质子和正电子集合到一起，形成反氢原子。然后这些反氢原子转移到远离强磁场的区域，导入真空管状通道中呈现飞行状态，由此测量反氢原子由基态开始的超精微跃迁。 ASACUSA协作团队领导者、日本理化学研究所山崎说：“由于反氢原子没有电荷，这给将其从陷阱中运送出来造成一大挑战。这项研究结果对超精细反氢原子研究非常有前景，特别是光谱特性。在反氢原子中其测量将允许对物质/反物质对称性最敏感的测试，我们期待今年夏天将这个装置重新启动改进。”ASACUSA实验下一步将优化反氢原子束的强度和动能，以更好地了解其量子状态。 总编辑圈点 绘制精确的超精细反氢原子光谱，进而比较氢和反氢原子构成，将提供探索宇宙起源和检验宇宙大爆炸理论的基础数据，把它比作物理学的一座“圣杯”并不为过。无论最后结果如何，都能使人类在微观和宏观两个层次上的认识尺度有跨越式提升。现在，欧核中心向伟大成功又迈了一大步，从十几年前首次制造出微量反氢原子，到2011年使数百个反氢原子停留近16分钟，再到制造出反氢原子束，他们已经踩在诺贝尔奖的节奏上。来源：中国科技网-科技日报 2014年01月23日

中国永磁体再次“出征”大宇宙http://www.gov.cn/jrzg/images/images/001aa04b41620f3bf5e101.jpg5月16日，高精度粒子探测器——“阿尔法磁谱仪2”搭乘美国“奋进号”航天飞机驶入寰宇。未来10年或更长时间里，“阿尔法磁谱仪2”将在国际空间站运行，寻找反物质和暗物质。据介绍，“阿尔法磁谱仪2”体内有一颗强大的“中国心”——一块“MADE IN CHINA”、内径约1.2米、重约2.6吨、中心磁场强度1370高斯的环形巨大永磁铁。它选择新型高磁能积钕铁硼材料，采用独特的“魔环”结构磁路设计，64个磁化方向连续变化的永磁条安装其中。这种结构使永磁体磁场约束在AMS磁体内部，使它符合太空运行要求，帮助“阿尔法磁谱仪2”寻找反物质和暗物质。

原标题：美首次观察到粲夸克与反粲夸克“混合” 有助于解释宇宙为什么由物质而非反物质组成 科技日报讯 （记者刘霞）据美国趣味科学网站1月3日（北京时间）报道，美国费米国家加速器实验室的科学家宣称，他们首次观察到了粲夸克（charm quark）衰变成其反粒子（反粲夸克）现象。1974年，科学家首次预测了这种名叫“混合”的现象，但至今实验室未观察到。科学家们表示，最新实验不仅有助于回答为什么宇宙由物质组成这个问题，而且，也有可能找到新粒子存在的证据。研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。 夸克是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元，存在着6种夸克：上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、奇夸克和粲夸克。一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而理论预言传递强相互作用的胶子（Gluon）也由夸克组成。 在费米实验室的粒子加速器内，两个质子以接近光速相互碰撞，随后爆炸成一团包含有不同类型夸克的粒子云。两个质子相互碰撞会产生足够高的能量，使夸克重新组合成介子（meson），其由一个夸克和一个反夸克组成。介子和这种高能碰撞产生的大部分粒子的寿命都很短暂，很快会衰变成其他类型的粒子。科学家们这次在实验中不仅观察到了粲夸克，也发现粲夸克自发地变成反粲夸克。 粒子物理学标准模型预测，粲夸克可能会采用这种方式衰变，但迄今为止，科学家们从未观察到这一现象。而且，这种夸克“混合”的数学计算非常复杂。该研究的合作者、美国韦恩州立大学的物理学家保罗·卡新说：“标准模型存在的一个问题是，其方程式并没有简单的解。在高能实验中，很难对包括强相互作用在内的情况进行计算。” 对粲夸克和反粲夸克之间的转换进行观察，或许还能为我们提供有关“丢失的反物质”的证据。如果它们的行为一样，那么，就没有所谓的“宇称破坏”了，反之，相反。研究人员指出，尽管最新实验没有发现“宇称破坏”，但这或许只意味着“宇称破坏”中可能会出现的参数被限定于某一范围，“宇称破坏”仍有可能出现。 科学家们将继续进行实验，以厘清粲夸克和反粲夸克的行为是否相同。卡新表示：“这将打开一个全新的探索领域。” 总编辑圈点 “一个全新的探索领域”，也是一直盘旋在科学家头脑中的难题：为什么宇宙由物质而非反物质组成？大多数理论认为，138亿年前，宇宙诞生伊始，产生了等量的物质和反物质，二者电荷和自旋方向相反，相遇时本应相互湮灭，但现在由物质组成的宇宙却留下了，这就是矛盾所在。而物质和反物质之间存在的衰变速率不对称——所谓的“宇称破坏”表明，物质和反物质的行为并不一样，其或许可以解释上述谜题。也就是科学家在粲夸克和它的反粒子行为中试图寻找到的答案。来源：中国科技网-科技日报 作者：刘霞 2014年01月04日

2013年01月04日 来源： 腾讯科学 http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130104/00241d8fef0e1250634023.jpg 大型强子对撞机将进行全面检修，以准备在2015年对暗物质、额外纬度和其它宇宙进行探索。 腾讯科学讯（过客/编译） 当谈到关闭有史以来最强大的核粒子加速器时，并不仅仅是按下关闭按钮的问题。欧洲粒子物理研究所的工作人员正一步步的停下大型强子对撞机。下个月当最新一次试验结束之后，位于大型强子对撞机隧道内的巨大超导磁体必须进行升温，缓慢的从零下271摄氏度回升到室温。只有到那时，工程师们才能进入隧道开始他们的工作。 这台设备去年帮助科学家们捕捉到难以捉摸的希格斯玻色子，现在需要关闭两年时间让工程师进行检修，以此来让对撞机在2015年达到它的最大能量。2008年9月大型强子对撞机首次启动几天后就发生了故障，从那以后，对撞机就被迫以一半的设计能量运行以避免再一次发生灾难。粒子加速器通过内部原子以接近光速的速度碰撞来揭示新的物理现象，这一切都是在一个8英里长的环形地下隧道里进行的。但是大型强子对撞机并不单是一台寻找希格斯玻色子的机器，它或许会揭开宇宙的其它秘密。比如说什么是隐藏在星系周围的暗物质，为什么我们是由物质组成而不是反物质。一位物理学家皮帕-威尔斯说道：“我们只进行了小部分的对撞机项目，仍然有很长一段路要走。新闻头条报道的发现只是开始，我们需要进行更多的精准测量来完善微粒的质量问题，并且更好的理解希格斯玻色子是如何产生的，以及它衰变成为其它粒子的方式。” 就其本身而言，即使大型强子对撞机恢复更高能量，暗物质是难以发现的。“暗”这个词语指的就是这种物质既不会发出光线也不会反射光线，目前为止暗物质呈现的唯一方式就是把它运用在星系上。在地球上搜寻暗物质未能揭开它的组成，但是大型强子对撞机或许能够实现这一目标。一个称作超对称性的理论提出，组成宇宙的微粒数量是我们现在所了解的两倍。威尔斯认为增强大型强子对撞机的能量应该能提高科学家创造暗物质的机会，“相比现在来说那将是一个巨大的进步，我们将把对宇宙4%的了解提高到大约25%。”大型强子对撞机可以帮助我们揭开的另外一个神秘是为什么我们是由物质组成而不是反物质。大爆炸应当将等量的物质和反物质送入到早期宇宙中，但是现在我们看到的几乎全部是由物质组成的。大型强子对撞机内部的撞击产生了大量被称作底夸克的微粒和它们的反物质相对物，两者都是大爆炸的共同结果。通过研究它们的行为，科学家们希望了解为什么自然似乎更喜欢物质而不是反物质。 工作于大型强子对撞机夸克探测装置的物理学家塔拉-希尔斯说道：“与超对称性或者希格斯玻色子不同，反物质没有理论让我们进行测试。我们不清楚为什么反物质表现的与普通物质有一点差异，但是或许那种差异能够使用更深层次的粒子物理学理论进行解答，但是我们尚未发现这一理论所包含的新物理现象。”增强大型强子对撞机的能量或许只是让科学家找到为什么重力如此微弱的原因。一个解释就是我们只承受了一小部分力，其余的以微观方式作用于额外的空间维度。剑桥大学高能物理学教授安迪-帕克说道：“我们所看到的重力场只是我们三维空间中的一部分，但事实上有许多重力场存在于第四、第五维度，或者你能幻想的任何纬度。” 量子力学定义粒子表现的像波，而且当大型强子对撞机提升到更高的能量时，碰撞微粒的波长就会变得更短。当微粒的波长小到能够与额外纬度相匹配时，这些微粒就会突然感觉到更加强烈的引力。帕克说道：“你所期待的是当你获得足够的能量时，你能够突然发现额外纬度，而且引力变得更加强大而不是微弱无力。突然增加的额外引力将导致机器内部的微粒更加分散，这就会给科学家一个明显的信号，额外纬度是真实存在的。”

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer）是一个计划安装于国际空间站上的粒子物理试验设备。其目的在于探测宇宙中的奇异物质，包括暗物质及反物质。 2009年11月初，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授宣布，阿尔法磁谱仪将于2010年7月29日早上7点30分在美国肯尼迪空间中心搭乘奋进号航天飞机的STS-134航班升空，送到国际空间站，开始为期3年的探索之旅。人类对宇宙探索一直在推进，AMS人类首个太空粒子探测器成功运行一周年，人类在获得了大量宇宙数据的同时，也获得了莫大的欣慰。AMS（阿尔法磁谱仪）运行一年，目前已经采集了160亿个宇宙射线数据。 160亿个宇宙射线数据，这是一个多么让人兴奋的数字，在过去的100年中，人类只采集到不到30亿个宇宙射线数据。而通过阿尔法磁谱仪，人们能够更多的了解宇宙，从而为人类探知宇宙构成填补认知空白，推动科学发展。 AMS项目主要使命是探索宇宙起源，寻找太空中的反物质和暗物质，是人类最大规模的太空科学家实验，是16个国家和地区600余位科学家共同致力的伟大项目。尽管太空环境十分苛刻，但AMS经受住了各种苛刻环境考验，目前正良好运行帮助人类探索未知的宇宙。