英国《自然》杂志网站11月17日刊登研究报告，称欧洲核子研究中心从1000万个反质子和7亿个正电子中，共形成了38个稳定的反氢原子，并将反氢原子的存在时间延长到0.17秒左右。

这个消息不但对于物理学界，对于整个世界来说都是振奋人心的，因为0.17秒的时间太不可思议了，许多反粒子的生存周期是以微秒乃至皮秒计算的。这一成就应当列为今年科学成就之首。文章总结了近百年来的反物质研究情况，与大家讨论。

 

 

1923年，俄国物理学家Dmitri Skobeltsyn 在云室中观察到了正电子轨迹，他对实验现象非常困惑，也未进一步研究。（云室是观察粒子轨迹的实验装置。在云室中充入过饱和的乙醚等气体，当粒子进入云室，其运行轨道将出现液滴线，并被记录。通过外加磁场测量带电荷粒子的偏转方向及半径就可以确定粒子的性质。）

 

1928年，英国物理学家狄拉克建立了相对论电子理论，首次从理论上论证了正电子的存在。这个理论把相对论、量子和自旋等概念结合起来，得出了狄拉克方程。通过该方程，狄拉克认为：电子可以有反粒子。这种反粒子除了电性和电子相反外，一切性质和电子相同。

 

1929年，我国赵忠尧在美国加州理工密立根教授的实验室攻读博士学位。他在进行轻重元素对伽马射线的吸收系数研究中，发现了一种特殊辐射。这种辐射的能量大约等于一个电子的质量，且它的角分布大致为各向同性。这就是世界上首次观测到的正、负电子相遇而产生的湮灭现象。(正负电子湮灭时放出两个伽玛光子，每个能量为0.511MeV。)

 

1932年，卡尔·安德森拍到了世界上第一张正电子的轨迹照片，宣布自己发现了狄拉克所预测的正电子。他发现，宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹发生了弯曲。而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却“错”了。随后，安德森又用γ射线轰击铊208的方法产生了正电子（与赵忠尧的实验相仿）。且正电子总是和普通电子成对地产生，它们所带的电荷相反，在磁场里总是弯向不同的方向。

值得一提的是，安德森与赵忠尧同为密立根教授的学生，两人实验室也紧邻，并且两人于1930年同时毕业。随后，安德森留校，继续他的研究工作；而赵忠尧则回国就任清华大学物理学教授，与吴有训等人一起开创了国内的核物理学教育、研究工作。

 

1933年，狄拉克提出反物质存在的假设。假定了真空极化效应的存在。

 

1934年泡利与克拉夫证明，即使不能形成稳定的负能粒子海（狄拉克为了解释电子稳定存在，而依据泡利不相容原理提出的一个概念），也会有相应的反粒子存在。

（1935年，吴有训邀请狄拉克到我国访问。当年7月，狄拉克在清华大学就正电子有关问题发表演讲。）

 

1954年，在加大柏克利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Bevatron，这是当时世界上最大的质子加速器。

 

1954年，欧洲各国物理学家集中力量，效仿美国，在瑞士日内瓦创建欧洲粒子物理研究所，CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)。

 

1955年，费米的两个学生，张伯伦和西格雷在加大柏克利，用Bevatron把质子加速到6.2GeV，打到铜靶上，然后用磁装置及切连科夫计数器进行探测，并对反质子“轰击”原子核过程进行拍照，证明反质子的存在。

根据狄拉克的理论，反质子的质量与质子相同，所带电荷相反，质子与反质子成对出现或湮没，用两个普通的质子碰撞便可获得反质子，但反质子的产生阈能为6.8GeV。

 

1956年，也是在加大柏克利，考克（Bruce Cork）等人在Bevatron上，也用计数器方法显示了反中子的存在。他们是利用反质子与原子核碰撞，反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，而反质子则变成了反中子。

 

1961年， James Robertson 等人，在美国Brookhaven国家实验室制成了世界第一台正电子单板扫描仪(PET)。其原理是：正电子放射性核素（如可食入人体的正电子放射性葡萄糖）辐射正电子，与电子接触会生成发射方向互为180°的湮灭辐射光子对，在两个方向分别进行接收，然后通过计算机成像技术，就可以探测到人体内部状况。目前通常把这一技术与CT结合应用，以获得更准确的功能代谢图像。

 

1964年，伯克利的阿尔瓦雷斯（L.W.Alvarez）率领学生及工程人员建造了一个长达7米长的氢泡室（里面充满临近沸点的液态氢，它与云室的结构原理相似，只是粒子进入后会产生由泡标示的轨迹）。通过这一技术，L.W.Alvarez发现了众多粒子和相应的反粒子，并发现了粒子共振态。他与研究人员还希望通过这一设备发现来自太空的较重的反物质，如反碳原子，或反氧原子，但并未成功。（L.W.Alvarez在质子同步稳相加速器Bevatron的建造中也起到了领导作用，其idea来源于在他曼哈顿计划中接触到的雷达方面的知识。）

 

1976年左右，卢比亚（C. Rubbia）来到CERN，着手进行发现W子的计划。这一计划要求质子与反质子在临近光速下碰撞。于是就有了Simon van der Meer发明的随机冷却技术，即把反质子收集到储存环中，让它不停运动，并控制它的速度和密集度。

 

1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空，气球上载有一些十分灵敏的探测仪器。结果，它在高空猎取了28个反质子。这是第一次在地球以外发现反物质。

 

1982年，CERN建成低能量反质子环（ Low Energy Antiproton Ring (LEAR)）。用来对反质子减速、储存。

 

1995年，Walter Oelert 小组在CERN第一次制造出了反氢原子，它由一个反质子与一个正电子组成，为氢原子的镜相结构。当反质子轰击氙元素时，就会产生正负电子对，而正电子被反质子俘获时，便形成了反氢原子。

 

1998年的夏天，美国宇航局把阿尔法磁谱仪一号送上了太空，其作用之一就是探测宇宙空间的反物质。

 

2000年，CERN宣布，它建造的新一代反质子减速器投入使用。

 

2009年，上海应用物理研究所与国外研究小组合作，在美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）上，通过反氦3和π+介子衰变道，探测到反超氚核。它是一个由反Λ超子和一个反质子、反中子聚合形成的束缚态，质量为 2.991±0.001±0.002 GeV，寿命在200 皮秒左右，和自由反Λ超子的寿命相当。为目前发现的最重的反物质原子核，也是第一个含有反奇异夸克的反物质原子核。

 

2010年，CERN宣布，在制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场，首次成功地使其存在了“较长时间”——约0.17秒。

 

2011年2月（预测），丁肇中主持的国际探测反物质研究团队，将把阿尔法磁谱仪二号送上太空。本仪器多个部件由我国设计制造。

 

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