物质和反物质有什么区别?一项新研究发现,有时什么都没有。
布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的相对论性重离子对撞机(RHIC)的科学家们发现,当反物质质子(称为反质子)与普通物质质子足够近,
杏耀平台注册优惠 ,能够通过所谓的强核力(把质子和中子结合在一起形成原子核)相互作用时,它们就会像普通物质质子一样发挥作用。
反物质本质上与物质相反,反物质的亚原子粒子(质子和电子)具有与普通物质相反的电荷。例如,在一块普通的物质中,质子带正电荷,电子带负电荷。反物质中,反质子带负电荷,而反电子(称为正电子)带正电荷。当反物质和物质接触时,它们彼此湮灭,并以伽马射线的形式产生能量。
物理学中最令人困惑的谜团之一是,为什么宇宙中的物质比反物质多。
大多数描述宇宙起源的理论认为,在135亿年前的大爆炸期间,应该有等量的物质和反物质被创造出来。如果那真的发生了,我们所知道的世界就不会存在了。相反,整个宇宙将充满辐射,因为所有的物质和反物质都将被湮灭。但由于某种未知的原因,科学家们说,宇宙大爆炸后留下的物质比反物质多一点点,所以在最初的湮灭之后,剩下的物质变成了我们现在在宇宙中看到的所有东西。
“这是一个尚未解决的难题,”参与这项新实验的布鲁克海文(Brookhaven)物理学家唐爱红(Aihong Tang)告诉《生活科学》(Live Science)。“如果反质子之间的相互作用不同,(这)可能是一个需要考虑的因素。”
为了研究这些相互作用,物理学家们寻找反物质和物质行为方式的差异,杏耀游戏玩家使用像RHIC这样的粒子加速器来制造反物质。如果物质和反物质的行为不同,那么这就可以解释为什么物质支配着宇宙。(天文学家已经在宇宙中寻找可能由早期宇宙遗留下来的反物质主导的区域;如果它们存在,物质主导区域和反物质区域之间的边界就会产生伽马射线。不过,到目前为止,美国宇航局钱德拉x射线天文台和康普顿伽马射线天文台的观测似乎排除了这种可能性。
根据电荷宇称(CP)对称理论,反物质应该看起来和物质一样——一块反铁或一团反氢应该和它的物质对等物表现相同。违反对称性意味着不是这样的。然而,RHIC实验表明,至少对质子对来说,没有任何电荷宇称违背。唐说,这意味着使物质成为宇宙中主要物质形式的现象,可能不是反质子相互作用的某种性质。
其他的实验也发现了在更奇异的粒子(如介子或B介子)中存在CP对称性违反的证据,但这些证据本身不足以解释物质优于反物质的现象。
为了测量反质子之间的相互作用,科学家们以接近光速的速度发射金原子核。当原子核相撞时,它们变成了大量的亚原子粒子,其中有对反质子。
通常情况下,携带相同电荷的质子会相互排斥,但当它们足够接近时,这些力就变得不那么重要了,因为强大的核力会把反质子束缚在一起,就像对普通质子一样。这部分符合预期。
“我们已经有效地制造出了氦-2,”唐说。普通氦,或者氦-
4、是由两个质子和两个中子组成的,而氦-2只是两个没有中子的质子。
安提氦-2和氦-2都是不稳定的,这意味着它们很快就会衰变。然而,安提氦-2持续的时间足够研究人员观察反质子之间是如何相互作用的。实验证实,反质子之间的相互作用与质子之间的相互作用是相同的。
因为当反质子撞击任何由普通物质构成的物体时,杏耀注册在不到一秒的时间内就会湮灭,反质子通常会撞击首先产生它们的金原子核的碰撞的腔体的侧面,并转化为伽马射线。
该实验验证了所谓的电荷-时间对称(CPT),这是CP对称的扩展,包括时间。CPT对称理论认为,如果你将电荷替换成相反的值,让粒子变成它们的镜像,并将时间倒转,物理定律就会看起来一样——换句话说,一个“镜像宇宙”的样子和行为就会和我们的一样。
在某些情况下,这种对称性会遭到破坏,但唐指出,反物质——或者至少是这里所研究的那种反物质粒子——不应该是其中之一。“物理学家总是假设我们的实验证明了什么,”唐说。“我们从另一个角度验证了CPT。”