正电子与反质子
/ POZ-i-tron; AN-ty-PROH-ton /
如果说反物质是物质的镜像清单,那么正电子和反质子就是这份清单上头两个被证实的条目。正电子是电子的反粒子:质量同样微小,但带正电而非负电。反质子是质子的反粒子:质量与质子相同,但带负电而非正电,且由反夸克而非夸克构成。每一个的发现都是一座里程碑,把反物质从一个方程变成了你能探测、能计数、能储存的东西。
正电子先被发现。1932 年卡尔·安德森在置于磁场中的云室里拍摄宇宙射线,看到一条像电子那样弯曲、却朝相反方向弯的径迹——这正是一个质量与电子相同、电荷相反的粒子的标志。反质子要难得多:质子大约比电子重两千倍,所以制造它的反粒子需要多得多的能量。1955 年埃米利奥·塞格雷(Emilio Segre)和欧文·张伯伦(Owen Chamberlain)在伯克利建造了一台专门的加速器——高能质子同步加速器(Bevatron),把质子撞得足够猛,在碎片里造出反质子,再凭它们的质量和负电荷筛选出来。这两项发现合在一起表明:最轻的带电物质粒子和一个重的复合粒子,都有真实的反物质对应物。
这两种粒子是反物质物理的主力。正电子在医院里天天用得到:在正电子发射断层扫描(PET)中,示踪剂放出正电子,它与你组织里的电子湮灭,产生可被探测的光子。反质子则在 CERN 的反质子减速器里被捕获、冷却,再与正电子结合来组建反氢原子。一个常见的混淆是把正电子简单叫作“带正电的电子”,仿佛它只是翻了电荷的普通物质——其实它是货真价实的反物质,遇到普通电子时会湮灭。
PET 扫描仪通过探测注入示踪剂放出的正电子与患者体内电子湮灭时释放的一对光子,来发现肿瘤——这是反物质的一项常规医学应用,每年有数百万人接受这种检查。
正电子是反物质家族的头一位成员,却被用于日常医疗。
反质子是由反夸克构成的复合反粒子,因此 1955 年它的发现也证实了反物质并不局限于单个基本粒子,而能组装成更大的结构。