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Anti-matter 反物質

Anti-matter 反物質. 朱明中 香港中文大學物理系 mcchu@phy.cuhk.edu.hk. 反物質. 甚麽是反物質？ 反物質有甚麼用？ 那裏 / 誰 / 如何找到反物質？ 為甚麼有反物質？ 反物質研究有甚麽新進展？. 甚麽是反物質 ?. N. -2/3. +2/3. -1/3. +1/3. 反中子. -1/3. 中子. +1/3. N. 反粒子 (Anti-particle). 對應每一種粒子，都有反粒子 (anti-particle)

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Presentation Transcript

  1. Anti-matter 反物質 朱明中 香港中文大學物理系 mcchu@phy.cuhk.edu.hk

  2. 反物質 • 甚麽是反物質？ • 反物質有甚麼用？ • 那裏/誰/如何找到反物質？ • 為甚麼有反物質？ • 反物質研究有甚麽新進展？

  3. 甚麽是反物質?

  4. N -2/3 +2/3 -1/3 +1/3 反中子 -1/3 中子 +1/3 N 反粒子 (Anti-particle) • 對應每一種粒子，都有反粒子 (anti-particle) • 反粒子的絕大部分性質與其對應的粒子相同，但電荷 (electric charge)相反 • 例如: 電子(electron)帶負電荷，反電子 (positron)帶正電荷，其他如質量等完全一樣;質子 (proton)帶正電荷，反質子帶負電荷 • 中子由夸克(quarks)組成，而夸克帶電荷，反中子由反夸克組成。反中子不帶電荷，但其磁矩 (magnetic moment)與中子相反

  5. 粒子與對應的反粒子相撞有機會相互湮滅，質量完全轉化成能量／光子 E = mc2。 例: p + p →2 GeV ~ 3.2x10-10 J p p 粒子–反粒子相互湮滅 (annihilation) 正反氫原子湮滅所放射能量 Credit: Michael Martin Nieto, Michael H. Holzscheiter, Slava G. Turyshev

  6. 反物質有甚麼用？

  7. 反電子放射層析掃描 (Positron Emission Tomography Scan) 以放射線同位素取代飲料中的一些份子，量度放射的反電子 http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography http://www.crump.ucla.edu/software/lpp/lpphome.html

  8. 北京正負電子對撞機 (Beijing Electron Positron Collider) 能量又可轉化成粒子→製造重或迅速衰變的粒子 例如: e+ + e- → J/Ψ http://www.ihep.ac.cn/english/bepc-tue/index.htm

  9. 正負物質湮滅是效率極高的能源:每克物質與反物質可轉化成1014 J 能量 ~ 核電廠生產十小時，比核能高效一千倍以上 想像中利用電磁塲儲存反物質作太空船燃料 http://science.nasa.gov/newhome/headlines/prop12apr99_1.htm

  10. 每克物質= 9x1013焦耳(Joules)! ~ 二千萬公斤黃色炸藥 氫彈: 温度達三億度! 反物質彈？ E=mc2 「炸藥」輕幾十至幾百倍，無殘餘輻射→「常規武器」 http://www.people.com.cn/BIG5/keji/1058/2934434.html

  11. 製造反物質 • 一些不穩定核子會在衰變過程放射反電子，如 11C → 11B + e+ + e (核子內一質子變中子) • 可以在加速器高能撞擊實驗中產生小量 • CERN（世界最大加速器）每年製造的反物質只足夠一顆100W燈泡十五分鐘之用 • 加速器需大量能量，反物質能源效率只有0.00000001% • 製造出的反物質亦難捕捉及儲存 • 極昂貴! 每克約值62.5兆美元! (或可下降至5億美元)

  12. 那裏/誰/如何找到反物質？

  13. 找尋反物質 太陽風大部份是質子及電子 太陽 怎知太陽是否反物質？

  14. 俱懷逸興壯思飛，欲上青天攬星雲 找尋反物質 不能單靠電磁波（光）等訊號而知道遠方星體是由物質或反物質造成，因放射的光譜完全一樣

  15. 宇宙射線(Cosmic Rays) • 宇宙射線=太空來的亞原子粒子(subatomic particles): • 質子(protons) ，電子， • 原子核(atomic nuclei)， • 光子(photons)‧... • 能量範圍極廣, 高達>1020 eV, >一億倍現今加速器最高能量 • 相信是恆星死亡時爆炸造成

  16. 地球表面不斷受宇宙射線撞擊

  17. Victor Hess Carl Anderson • 1912: 赫斯Hess乘熱氣球升空至五千米高空發現宇宙射線愈高愈多 • 1932:安德遜 Anderson 於宇宙射線中發現反電子 Nobel Prize 1936 “for his discovery of the positron” (shared with Hess for discovery of cosmic rays)

  18. B 安德遜的雲霧室(cloud chamber) 安德遜發現宇宙射線中有帶正電荷的「電子」(1932). 帶電荷 (q) 的粒子在磁塲中的軌跡半徑反比於電荷與其質量比例 q/m，方向與電荷正負有關

  19. 宇宙射線成份分佈 電荷 粒子 粒子 反粒子 反粒子 能量 (eV) 怎知粒子多於反粒子？ R. Schlickeiser, Cosmic Ray Astrophysics, 2001

  20. 太陽 銀河核心 反電子雲 銀河緯度 銀河平面 銀河核心 銀河經度 銀河系核心附近的反電子雲 怎樣知道是反電子？ 電子反電子湮滅放射511keV 伽瑪射線 來源? 黑洞？中子星？暗物質？…

  21. 為甚麼有反物質？

  22. 光速 靜止質量 (rest mass); 動量 (momentum) 自然有負能量解: 量子物理: 粒子之狀態為所有能量態的叠加 能量態 Anti-particles 反粒子 • 相對論 →能量 量子物理+相對論 →不可忽畧負能量粒子

  23. E E E = 0 E E = 0 . 一粒粒子 one-particle state . . 若負能量粒子被激發至正能量，便留下一個洞hole = 反粒子 . . . E 真空 vacuum 真空產生正反粒子對 E = 0 Dirac 洞理論 (Hole theory) • 粒子為何不全衰變至負能量態？ • Dirac:負能量態已全被佔據！Pauli Exclusion Principle: 每一能階只容許一粒子（費米子） →真空亦充滿（負能量，看不見的）粒子

  24. 量子力學的理論及方法 成功結合狹義相對論與量子力學，從而推算出反粒子的存在，及電子自旋(spin)的源頭 量子塲論(quantum field theory)的先驅者 Paul A. M. Dirac Nobel Prize 1933 “for the discovery of new productive forms of atomic theory”(shared with Schroedinger) 狄拉克的貢獻 1930 ‘A Theory of Electrons and Protons’ 1931 positron

  25. 物質波: 能量與時間共同出現 De Broglie: 波長 頻率 例如自由粒子 plane wave: Dirac 與Feynman t x 粒子 E > 0 粒子 E < 0 反粒子 E > 0 = Feynman費曼的理論 Feynman: 負能量的負號可放在時間處→負能量粒子 = 正能量粒子以時間逆轉運動 negative energy particle traveling forward in time = positive energy particle traveling backward in time “A positron is an electron traveling backward in time.”

  26. t t x x 電子－電子散射Electron-electron scattering 電子－反電子湮滅Electron-positron annihilation t t x x 電子－反電子散射Electron-positron scattering 費曼圖 Feynman Diagrams

  27. p p 本是同根生，相煎何太急？ 反物質問答 為甚麼每一粒子必有對應反粒子？ 每一種粒子必有對應反粒子，因它們本來是同一粒子！ 為甚麼粒子與反粒子有完全一樣的質量？ 因為它們本來是同一粒子！ 為甚麼粒子與反粒子有相反的電荷？ 洞理論 →反粒子 = 少了一粒子 光子的反粒子是甚麼？ 也是光子!

  28. 反物質研究有甚麽新進展？

  29. 丁肇中: 到太空找尋反粒子! 因為反粒子在地球大氣已湮滅

  30. The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment AMS From Prof. Ting’s talk in HK

  31. The AMS detector has been under construction for 10 years. http://cyclo.mit.edu/~bmonreal/frames.det.html +y03K193_2ea

  32. 製造反原子 • 近年在CERN可造出大量(~50,000)反氫原子(反電子與反質子結合） • 利用粒子加速器製造反粒子 • 需要把反粒子減速才能增加反原子合成 • 用特別裝置儲存反原子 • 精確量度反原子性質 http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/ http://www.space.com/scienceastronomy/generalscience/anti_hydrogen_020918.html

  33. Athena 實驗 反粒子減速器 捕捉反質子 http://athena.web.cern.ch/athena/

  34. 為甚麼物質遠多於反物質？Matter-anti-matter asymmetry

  35. 大爆炸理論Big Bang→宇宙早期高温高密度 →能量遠高於質量 宇宙膨脹 →温度下降 →能量轉化成質量 →物質與反物質的數量應相若 AMS in space 加速器 Search for the Origin of the Universe Search for the Existence of Anti Universe 大爆炸 物質宇宙 反物質宇宙 1015 C° 10-10 sec 3 min 6000C° 3C° K 15 billion years From Prof. Ting’s talk in HK y97089_2ab_03.ppt

  36. 香港仔隧道實驗室 大亞灣核電廠反應堆 為甚麼物質遠多於反物質？ • 答案可能關於中微子! • 大亞灣反應堆反中微子振盪實驗/香港仔隧道實驗 • 一月六日陸錦標教授講座「中微子物理的奇妙世界」 http://theta13.phy.cuhk.edu.hk/

  37. 反物質 • 甚麽是反物質？ • 反物質有甚麼用？ • 那裏/誰/如何找到反物質？ • 為甚麼有反物質？ • 反物質研究有甚麽新進展？

  38. Anti-matter 反物質 朱明中 香港中文大學物理系 mcchu@phy.cuhk.edu.hk

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