2007-09-13

實驗室觀測到物質、反物質的電子偶素分子

Matter-antimatter molecules of positronium observed in the lab for the first time
http://www.physorg.com/news108822085.html

September 12, 2007

UC Riverside 的科學家創造出分子電子偶素(positronium,Ps),實驗室當中一種全新的物體。每個分子是由一對電子與一對它們的反粒子,稱為正子(positron,葉李華認為翻成 '正電子' 不妥,詳見《科學月刊》1999年7月號)所形成,因此相當不穩定。

這項研究是為多重電子偶素(multi-positronium)交互作用的研究鋪路 -- 對於產生協調一致的γ射線十分有用 -- 而且有朝一日能協助開發融合發電(fusion power generation)以及指向性能源武器,如:γ雷射槍。它也能幫忙解釋為何在當前可觀測的宇宙中,物質會比「反物質」多很多。

研究結果發表於 9/13 該期 Nature。

研究者把正子的強烈爆炸射入多孔二氧化矽(石英的化學名)薄膜,製造出電子偶素分子。正子在二氧化矽當中減速,被普通電子捕獲,形成電子偶素原子(positronium atoms)。

電子偶素原子生性短命。不過物理學家發現,這些電子偶素原子會黏著在二氧化矽內部的多孔表面,如同灰塵粒子會緊緊抓住海綿內側表面的孔洞一樣,因為活的夠久,足以讓彼此產生交互作用,進而形成電子偶素分子。

"二氧化矽實際上是扮演一個有用的獸籠,可以捕獲電子偶素原子," David Cassidy 說,該研究論文的領導作者,同時也是該研究共同作者,物理學教授,Allen Mills 實驗室的助理研究員。 "這是我們實驗的第一步。我們下一步要讓更多電子偶素原子能同時起交互作用 -- 不像當前只有二個電子偶素原子。"

當一個電子遇到了正子,它們接著會相互湮滅或形成電子偶素,一種不穩定、類氫的原子。當電子偶素原子與其他電子偶素原子相撞,其穩定性會再一次受到威脅。像這樣的原子對撞會導致它們毀滅,並伴隨產生一道強大且充滿能量的電磁輻射,稱為γ射線,或著創造出電子偶素的分子,一如 Cassidy 與 Mills 在實驗室所觀察到的。

"他們的研究賦予我們理解物質與反物質的新方法," Clifford M. Surko 說,UC San Diego 的物理學教授,他並未涉及該研究。"它亦提供新穎技術,以創造出規模更龐大的反物質,那將導致新科學的產生,而且有可能成為重要的新技術。"

在可見宇宙中,物質與反物質顯而易見的不對稱性,一直是物理學上懸而未決的問題。

目前,反物質在醫療當中找到用途,在此它能藉由正子斷層掃描(Positron Emission Tomography,PET)來協助鑑定疾病。

Cassidy 與 Mills 計畫繼續使用更強烈的正子源產生電子偶素的「玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)」-- 有大量的電子偶素原子會處於相同的量子態,能夠產生更多交互作用與γ射線。根據他們表示,這樣的凝聚態對於開發γ射線雷射是必需的。


※ 相關報導:

* The production of molecular positronium
http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7159/abs/nature06094.html

D. B. Cassidy & A. P. Mills, Jr
Nature 449, 195-197 (13 September 2007)
doi:10.1038/nature06094
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