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科学家找到实验室环境下创造反物质的简单新方法

现代宇宙学的一些重要谜团都和反物质有关。但反物质很难被研究,这是因为它非常罕见,而且很难在实验室环境下产生。不过现在,一个物理学团队概述了一种创造反物质的简单新方法,通过向对方发射两个激光器来模拟中子星附近的条件,将光转化为物质和反物质。反物质(英语:antimatter)在粒子物理学中是反粒子概

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  现代宇宙学的一些重要谜团都和反物质有关。但反物质很难被研究,这是因为它非常罕见,而且很难在实验室环境下产生。不过现在,一个物理学团队概述了一种创造反物质的简单新方法,通过向对方发射两个激光器来模拟中子星附近的条件,将光转化为物质和反物质。

  反物质(英语:antimatter)在粒子物理学中是反粒子概念的延伸(非物质),反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子〈正电子〉能形成一个反氢原子,如同电子和质子形成一般物质的氢原子。

  物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子(伽马射线)或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子,赋予的动能等同于原始正反物质对的动能,加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差,后者通常占大部分。

  这理论上应该在数十亿年前摧毁宇宙,但显然这没有发生。那么,物质是如何占据主导地位的?是什么让天平向它倾斜的?或者说,所有的反物质都undefined了?

  但遗憾的是,反物质的稀缺性和不稳定性使它难以被研究以帮助回答这些问题。它在极端条件下自然产生,如雷击,或在黑洞和中子星附近,以及在大型强子对撞机等巨大设施中人工产生。

  但是现在,研究人员已经设计了一种新的方法,可以在较小的实验室里生产反物质。虽然该团队还没有建造该设备,但模拟显示该原理是可行的。

  这个新设备涉及到向一个塑料块发射两个强大的激光器,一个从两侧以钳形运动的方式发射。这个块状物上将有纵横交错的微小通道,宽度仅有微米。当每个激光器击中目标时,它加速了材料中的电子云,并使它们射出–直到它们与另一个激光器射出的电子云碰撞。

  模拟图像显示了等离子体(黑色和白色)的密度在被来自两侧的强大激光击中时如何变化。颜色代表它们碰撞时产生的不同能量的伽马辐射。

  这种碰撞产生了大量的伽马射线,而且由于通道极其狭窄,光子也更有可能相互碰撞。这反过来又产生了物质和反物质,特别是电子和它们的反物质等价物–正电子的阵雨。最后,该系统周围的磁场将正电子集中到反物质束中,并将其加速到极高的能量。

  这项研究的作者 Alexey Arefiev 说:“这种过程很可能发生在脉冲星的磁层中,即快速旋转的中子星的磁层。有了我们的新概念,这种现象可以在实验室中进行模拟,至少在某种程度上,这将使我们能够更好地理解它们”。

  该团队表示,新技术非常高效,产生的正电子比单一激光器多 10 万倍,而且输入的激光器一开始就不需要那么强大。由此产生的反物质光束可以在仅仅 50 微米的空间内达到 1 千兆电子伏特(GeV)的能量,这通常需要大型粒子加速器。

  该研究发表在《Communications Physics》杂志上。

  资料来源:Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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