负质子,即反质子,是质子的反粒子,其质量及
自旋与质子相同,且寿命也与质子相当,但电荷及
磁矩则与质子相反,带有与电子相同的负电荷。与质子相遇时会湮灭,转化为能量。
基本性质
质量及自旋与质子相同,但电荷及磁矩则与质子相反,带有与电子相同的负电荷。寿命也与质子相当。一个负质子是由两个上反夸克及一个下反夸克所组成。虽然负质子本身是稳定的,但由于负质子与质子接触会发生湮灭的现象,并且转化为能量,是故反粒子无法在一般的自然环境中保存。
发现过程
狄拉克早在1928年,便预言了反粒子的存在。每一种
粒子都有一个和它的质量、寿命、
自旋严格相等,而电荷却正好相反的反粒子存在。
1932年8月2日,
美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告,他们发现了
正电子。正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论,一些
理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明,即使不能形成稳定的负能粒子海,也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。
1954年,在
加利福尼亚大学的
劳伦斯辐射实验室,建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器,这为寻找负质子提供了条件。1955年,张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一年人们所观测的负质子的存在。由于负质子出现的机会极少,大约每1000亿高能质子的碰撞,才能产生数量很少的负质子,因而证实负质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个负质子。由于偶然符合可能性不大,记数系统虽不算好,但较为可信。
不久他们又发现反中子的存在,尽管
高能粒子打靶时也能产生反中子,但是由于反中子不带电,更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用负质子与原子核碰撞,负质子把自己的负电荷交给质子,或由质子处取得
正电荷,这样,质子变成了中子,而负质子则变成了反中子。
负质子的产生
K介子的质量大约是电子质量的一千倍,负质子的质量大约是电子质量的两千倍,所以从核中打出K和负质子需要更高的能量。美国加利福尼亚大学辐射实验室用62亿电子伏的质子轰击靶物质,最先得到了负质子。当时只观察到60个负质子,要想得到更多的粒子,还要提高加速器的能量。使用美国布鲁克海文国立实验室的330亿电子伏质子加速器,可以得到强度大于106粒子/秒的K介子束和负质子束。
K-介子与物质之间的作用很强。当它被核吸收时,与质子或中子反应,可转变为π介子、∑°和∑+等各种超子。
负质子是稳定的粒子。但是,它与质子相遇时发生湮没,放出超子。
负质子的观测
在宇宙空间中,被称为“宇宙线”的粒子流在纵横疾飞,也有宇宙线倾泻在地球上。宇宙线中除了少量氦原子核、电子等几乎全是氢原子核。地球所在银河系内的大恒星演化到最终引发的超新星爆炸的残骸使宇宙空间的粒子流加速。
宇宙线与地球大气发生碰撞后,构成宇宙线的粒子会转变成其他粒子。能量较低的宇宙线被地球磁场弯曲,不会到达地球赤道附近,而是倾注到地球高纬度地区。要研究初始的宇宙线,必须在地磁极所在的高纬度地区,几乎不存在大气的平流层之上进行观测。
能量较高的宇宙线与星际气体形式存在的氢原子核碰撞,会生成极少的质子和负质子对,这是宇宙中的基本粒子反应。在这种碰撞中产生的负质子的能量分布,理论上是能预测的,高能量具有特征峰值。观测数据显示出与这种预测大致相似的能量分布。被观测到的多数负质子都是质子彼此碰撞产生的。但是在能量的最低端,负质子数要比预测值多。因此,或者要对理论进行修正,或者预示了负质子还有别的来源。
科学家使用高性能的粒子检测器,以寻找宇宙线中的负质子等反粒子。
美国航空航天局在加拿大北部,将巨型气球置于3,8万米平流层之上,用气球携带的粒子检测器寻找反粒子。在1993年和1994年两年间,科学家首次在数万个粒子中发现了8个负质子。
宇宙中充满了用光和电磁波无法观测到的暗物质。“超对称论”预言存在超对称性粒子,如果
超对称粒子就是暗物质,它们在银河系内以百分之一光速穿梭碰撞,就有可能在产生极微量的质子的同时,产生负质子。还不能根据负质子的数据,对如此产生的负质子的能量分布给出圆满的解释。