記者楊舒從中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所獲悉，該所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近日在國內(nèi)首次成功利用超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生一種反物質(zhì)——超快正電子源，這一發(fā)現(xiàn)未來將在材料的無損探測、激光驅(qū)動正負(fù)電子對撞機(jī)、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域得到重大應(yīng)用。相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《等離子體物理》上。
“反物質(zhì)”這一物理學(xué)概念由英國科學(xué)家狄拉克于1928年根據(jù)推測得出，1933年他因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)家認(rèn)為，我們周圍環(huán)境中的物質(zhì)是正物質(zhì)，它由原子組成，原子由帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子以及中性的中子組成。然而，每一種粒子都有一個(gè)與之相對的“反粒子”，由帶負(fù)電的反質(zhì)子和帶正電的正電子組成的物質(zhì)就是反物質(zhì)。反物質(zhì)研究在高能物理、宇宙演化等方面屬于理論前沿，同時(shí)也具有重要應(yīng)用價(jià)值，比如，正電子斷層掃描成像PET－CT在癌癥診斷等方面已在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。
理論認(rèn)為，反物質(zhì)只要和正物質(zhì)相遇就會湮滅，因此難以產(chǎn)生和保存，目前科學(xué)家很難在宇宙中找到反物質(zhì)，轉(zhuǎn)而在實(shí)驗(yàn)室的極端條件下嘗試獲取，這也成為物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。1932年，由美國物理學(xué)家卡爾·安德森通過對宇宙射線的磁場偏轉(zhuǎn)和轟擊在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了電子的反粒子，即正電子的存在。隨后，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了負(fù)質(zhì)子和反中子等多種反物質(zhì)。為了獲得更高質(zhì)量的正電子源，長期以來，中外科學(xué)家們一直在探索“利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)”的有效方法，為了利用激光獲得反物質(zhì)——超快正電子源，上海光機(jī)所經(jīng)歷了長達(dá)15年的持續(xù)研究。
強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員沈百飛介紹，此次反物質(zhì)的獲得經(jīng)歷了一個(gè)相對復(fù)雜的過程和優(yōu)化：首先將飛秒拍瓦激光裝置與高壓氣體靶進(jìn)行相互作用，產(chǎn)生大量高能電子；高能電子再和高原子序數(shù)材料靶（如銅、金）相互作用，產(chǎn)生高強(qiáng)度伽馬射線；伽馬射線再和高原子序數(shù)原子核作用產(chǎn)生正負(fù)電子對。
“ 正電子譜儀”是獲得反物質(zhì)的“功臣”。沈百飛表示，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的正電子譜儀，成功解決了伽馬射線帶來的噪聲問題，利用正負(fù)電子在磁場中的不同偏轉(zhuǎn)特性，最終成功觀測到了正電子。
據(jù)了解，獲得反物質(zhì)超快正電子源將對激光驅(qū)動正負(fù)電子對撞機(jī)等具有重要意義。未來，在高能物理、材料無損探測、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域有應(yīng)用前景，由于其脈寬只有飛秒量級，可使探測的時(shí)間分辨大大提高，有望獲得更高分辨率的正電子成像，進(jìn)而研究物質(zhì)性質(zhì)的超快演化。
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