正電子與反質子
/ POZ-i-tron; AN-ty-PROH-ton /
如果說反物質是物質的鏡像清單,那麼正電子和反質子就是這份清單上頭兩個被證實的條目。正電子是電子的反粒子:質量同樣微小,但帶正電而非負電。反質子是質子的反粒子:質量與質子相同,但帶負電而非正電,且由反夸克而非夸克構成。每一個的發現都是一座里程碑,把反物質從一個方程變成了你能探測、能計數、能儲存的東西。
正電子先被發現。1932 年卡爾·安德森在置於磁場中的雲室裡拍攝宇宙射線,看到一條像電子那樣彎曲、卻朝相反方向彎的徑跡——這正是一個質量與電子相同、電荷相反的粒子的標誌。反質子要難得多:質子大約比電子重兩千倍,所以製造它的反粒子需要多得多的能量。1955 年埃米利奧·塞格雷(Emilio Segre)和歐文·張伯倫(Owen Chamberlain)在柏克萊建造了一台專門的加速器——高能質子同步加速器(Bevatron),把質子撞得足夠猛,在碎片裡造出反質子,再憑它們的質量和負電荷篩選出來。這兩項發現合在一起表明:最輕的帶電物質粒子和一個重的複合粒子,都有真實的反物質對應物。
這兩種粒子是反物質物理的主力。正電子在醫院裡天天用得到:在正電子發射斷層掃描(PET)中,示蹤劑放出正電子,它與你組織裡的電子湮滅,產生可被探測的光子。反質子則在 CERN 的反質子減速器裡被捕獲、冷卻,再與正電子結合來組建反氫原子。一個常見的混淆是把正電子簡單叫作「帶正電的電子」,彷彿它只是翻了電荷的普通物質——其實它是貨真價實的反物質,遇到普通電子時會湮滅。
PET 掃描儀透過探測注入示蹤劑放出的正電子與患者體內電子湮滅時釋放的一對光子,來發現腫瘤——這是反物質的一項常規醫學應用,每年有數百萬人接受這種檢查。
正電子是反物質家族的頭一位成員,卻被用於日常醫療。
反質子是由反夸克構成的複合反粒子,因此 1955 年它的發現也證實了反物質並不侷限於單個基本粒子,而能組裝成更大的結構。