21世纪内人类的宇宙反物质探索.docx

21世纪内人类的宇宙反物质探索 自人类以来，对物质世界的研究一直是人类不断了解和改造世界的结果。特别是在揭露了原子秘密后，人类信息进入了一个新时代。例如，原子能的开发促进了原子能的开发、控制技术和计算机的发展。例如，原子能探测技术和计算机的发展。为了研究物质微观结构提供了实验手段。场论、力学和量电动学（qd）、量色动力学（qcd）和量味动力学（qfd）的建立和发展，为研究颗粒的动态机制提供了理论基础，并形成了构成物质世界的轻子消费者。这是人类深入探索物质微观结构的结果。 随着反粒子、反氘核和反氢原子的发现以及天体演化研究的进展,人们又将目光转向反物质世界的探索.1998年6月3日,丁肇中研究组的学者将中国参与制造的α磁谱仪用航天飞机带上太空试验,揭开了人类太空探测宇宙反物质的新篇章.预计在21世纪内人类有可能揭开宇宙反物质之谜. 根据宇宙大爆炸理论和质能关系.在宇宙大爆炸时的超高温条件下,是可以产生大量正、反质子,正、反中子和正、反电子的;根据反质子、反中子和反电子具有与质子、中子和电子同样的稳定性,在一定条件下,这些反粒子形成反原子核、反原子、反物质也是有可能的. 宇宙大爆炸时产生的正、反物质不是等量对称的.从人类首次发现反质子的反应方式估算,反物质大约只有总物质的1/4左右.虽经漫长岁月的可能正反物质相遇而爆炸性湮灭,但仍可能有反物质残存于宇宙中.反物质之谜也是本文感兴趣的. 1 原子内部的能量 早在公元前4世纪,古希腊人德漠克利特(Democritus)就提出过“原子说”,认为万物均由不可分割的原子组成.1897年,汤姆逊对阴极射线在静电场中偏转时的电荷和质量测量,发现了质量仅为氢原子质量1/1840的电子,这意味着原子不是组成物质的最小单元.1911年,卢瑟福根据α粒子射向金属原子靶时发生大角度偏转的实验事实,揭示了原子中有一个质量和正电荷集中的中心体——原子核.从而认识到原子由原子核和核外电子组成.1913年,玻尔根据氢原子光谱的实验规律提出氢原子的能级理论,1914年弗朗克等人从实验上证实原子内部确实存在不连续的能量状态.1919年,卢瑟福用天然放射的α粒子去轰击氮原子核时发现了质子;1932年,恰德维克又在α粒子轰击铍靶的实验中发现了中子,使人们认识到原子核又由质子和中子组成.1968年,斯坦福直线加速器中心(SLAC)用100亿电子伏特的高能电子束对质子靶进行深度非弹性散射实验时,发现能深入质子内部的高能电子却发生了大角度散射,表明质子内部还有点状粒子存在.这点状粒子就是盖尔曼理论模型中的夸克(或层子模型中的层子).现已确认质子由2个u夸克(u是up的简写,带+23e+23e的电荷)和1个d夸克(d是down的简写,带-13e?13e电荷)组成;中子由2个d夸克和1个u夸克组成.即由夸克u和d可构成核子(质子、中子的总称);不同数量的核子则构成不同的原子核;不同的原子核和相应的核外电子构成不同的原子,从而构成不同的物质.初看起来似乎有了夸克u、d和电子e(不参与强相互作用的轻子)就可完满地描述日常物质世界的构成.其实不然.(1)核力中有弱作用力成份和弱作用过程在核素中几乎普遍存在的事实,以及弱作用衰变直接关系到某些元素的起源和元素的衰变键,u,d,e还不能完善地构成日常物质世界.例如,太阳之所以能有持久的光和热,就是由于太阳内部有质子-质子核反应键和碳-氮核反应键持续循环的结果.这两种循环核反应键都依赖于弱作用的β衰变.如果没有弱作用衰变,太阳的光和热和就会终止,地球上也就不会有生命.而表征弱作用特征的粒子是中微子νe(仅参与弱作用的轻子).(2)夸克和轻子的自旋都是1212,它们之间存在对称性.根据目前认识,构成日常物质世界的基本成员是夸克对u,d和轻子对e,νe. 2 多资源类,多为方之间 人们在中、高能物理研究中,曾发现许多非日常物质世界中的产物: (1) 奇异粒子 1947年,罗切斯特等人用磁云室研究宇宙射线时发现了一些“V”型径迹,经测量分析,这些“V”形径迹是两类不同粒子的衰变产物,1953年,布鲁克海汶实验室(BNL)利用高能质子加速器重复实验查明:这两类不同粒子是通过强相互作用协同产生,而通过弱相互作用独立衰变的. 已发现的奇异粒子有介子类和超子类.如Κ+?Κ-?Κ0?ˉΚ0(Κ0K+?K??K0?Kˉˉˉ0(K0的反粒子)等,其质量介于核子和电子之间,属介子类;又如∑+,∑-∑0,Ω-,…等等,它们的质量都大于核子的质量,属超子类.上述奇异粒子的夸克组成为:Κ+(u,ˉs)?Κ-(s,ˉu)?Κ0(d,ˉs)?ˉΚ0(s,ˉd);∑+(u,u,s),∑-(d,d,s),∑0(d,s,u),Ω-(s,s,s).括号中的英文字母代表组成该粒子的夸克类型.如s为奇异夸克,字母上的一横,表示该粒子的