反氫

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反氫antihydrogen)是對應元素反物質,每顆氫原子是由一顆質子電子組成,而反氫則是由一顆反質子正電子組成,其化學符號多以「H」表示,即「H」上加一橫條。

根據粒子物理學CPT定律,反氫的不少特性均與氫相同,包括質量磁矩及在量子狀態中的過渡頻率(即把激光微波光束射在反氫原子上,會發出與氫相同顏色的光)。由於反物質的質量不會呈負數,因此在萬有引力方面,反氫也應與正氫相同。

當反氫原子與正物質接觸,它們會很快湮滅並化為伽馬射線及高能量π介子,這些π介子又很快會衰變為μ子中微子、正電子及負電子,並很快會消失。如果反氫原子處於真空環境,又不與正物質碰撞,它們理應永遠存在,不會湮滅消失。

自然界的環境不會出現反氫,因此需靠人們以粒子加速器來製造。1995年,歐洲核子研究組織(CERN)成功在瑞士日內瓦的研究所中,以射擊反質子來製造反氫原子,而這些反質子是在粒子加速器中的原子團中產生的。當一粒反質子接近氙原子核時,會產生正負電子各一粒,正電子給反質子抓獲時,便會產生反氫原子。由於每粒反質子能變為反氫原子的機會率約為10-19,因此以這個方法去大量生產反氫原子,成本定會極為昂貴。

近年,ATRAP及ATHENA兩個計劃正於CERN共同進行研究,他們把從放射性金屬中產生的正電子與困在Penning陷阱中的反質子融合為反氫原子,每秒鐘可生產100顆,這個方法於2002年首度試驗,至2004年共生產了數十萬顆。

這些反氫原子由於溫度極高,約為攝氏數千度,因此撞向實驗器皿時湮滅的機會也極高。而下一個目標是要製造低溫的反氫,並處於接近絕對零度的水平,使之可由磁場來密封。然後可以激光來準確量度其過渡頻率,如果其結果與正氫不同,縱使其差距小,也能證明它們的特性不完全相同,並能幫助解釋為何宇宙的物質以正物質為主,而非反物質。

既然人們可製造反氫,那反氘D)、反氚T)、反氦He)等反原子理應也可以造到,只是其難度更高。在2011年4月29日出版的英國《自然》雜誌上刊登了成功合成反氦-4的消息,方法是將兩個接近光速的金原子核對撞,通過篩選共探測到18個反氦-4的信號。

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