聊粒子-反质子和反中子的发现

25 2月

自从狄拉克发现了正电子,所有人都在思考是不是所有粒子都有反粒子。什么是反粒子?

粒子有很多基本属性,如质量,大小,寿命,自旋等,粒子还有很多量子属性,如重子数,奇异数等。

反粒子就是基本属性和正常粒子相同,但所有内部相加性量子数,如电荷,重子数,奇异数等,这些和正常粒子都大小相同,方向相反。

要找就先找最常见的质子的反粒子。反质子和质子只有电荷和磁矩是相反的,其他都一样。质子和反质子碰撞也会湮灭。

第一个找到反质子的是意大利裔美籍物理学家塞格雷(1905-1989)。

塞格雷也是中途转行,原本是学工程的,后来逐渐感受到了物理的魅力,就转行学了物理,师从费米。

之后因为二战墨索里尼在国内通过了排犹法令,塞格雷就去了美国,在伯克利大学任教,参与了美国的曼哈顿计划。

曼哈顿计划里除了研制铀235的原子弹外,还有一个重要的任务,就是研究一下用别的元素行不行,领头的就是塞格雷,发现钚239也可以,长崎原子弹胖子就是用钚239为原材料做的。

找反质子主要问题在于加速器,一般加速器能量不够,要想人工产生反质子,至少需要将质子加速到5.6GeV。单位eV是电子伏特,表示一个电子通过1伏特的电位差加速后获得的能量。

1955年伯克利大学建造了一个6.2GeV的质子同步加速器,年底塞格雷和他的学生张伯伦就发现了反质子,他俩因此获得1959年的诺贝尔物理学奖。次年塞格雷团队又发现反中子。

中子又不带电,反中子是什么鬼?反粒子的定义不是说只有电荷相反才是反粒子,反中子和中子的磁矩是相反的。

也不是所有粒子都有反粒子,例如光子,π0介子,它们的内部相加性量子数为0,这样的粒子叫“纯中性粒子”,没有反粒子,或者说它们的反粒子就是自己本身。

除了反粒子,塞格雷还有一些其他成果。例如他发现了元素周期表里的43号元素金属锝。门捷列夫也是非常厉害,发明了元素周期表,预言了很多新元素,第43号元素应该是类锰元素。

1936年加州伯克利大学造了个回旋加速器,可以将粒子加速到很高的能量。回旋加速器的发明人劳伦斯(1901-1958)也获得了1939年的诺贝尔物理学奖。他也是东方居里夫人吴健雄的导师。

被加速后的粒子轰击过的材料上,往往都含有丰富的放射性物质。塞格雷和劳伦斯同在加州伯克利大学任教,两人的私交也非常好。所以塞格雷就去找劳伦斯,要粒子轰击后的金属板,看看能不能发现什么宝贝。

果然1937年塞格雷就在一块42号元素金属钼靶上,发现了第43号元素金属锝。

反粒子还有很多未解之谜,例如中微子是不是纯中性粒子?

粒子物理标准模型里中微子是没有质量的,自旋为1/2的电中性费米子。如果一个费米子的反粒子是它本身,这个费米子就叫做“马约拉纳费米子”,这是1937年意大利物理学家马约拉纳预言的。反之反粒子与自身不同的费米子,就叫“狄拉克费米子”。

所以中微子是是最有可能成为马约拉纳费米子的粒子。

但之前说过发现中微子振荡,证明中微子是存在静质量的,只不过很微弱。所以目前的所有基本粒子中,尚无已知的马约拉纳费米子。

最后提一下,马约拉纳也是个天才,被费米称为能和伽利略牛顿并论的人,可惜在1938年年仅32岁时离奇失踪了,轴心国真的危险啊。

去年2018/12/01因抑郁症自杀的,我国的张首晟教授,已经十分接近发现马约拉纳费米子了,离世年仅55岁,非常可惜。

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